Тепловой аккумулятор с теплоизоляционным материалом на основе аэрогеля

Введение. Установки для аккумулирования тепловой энергии позволяют сглаживать пиковые нагрузки и обеспечивать устойчивость работы теплоэнергетической системы. Особую актуальность данные решения имеют для частных домовладений. Цель исследования — анализ целесообразности применения теплового аккумулятора на основе талькомагнезита и с тепловой изоляцией из аэрогеля.

Материалы и методы. Для определения температуры на поверхности тепловой изоляции и визуализации температурного профиля проведено моделирование в программном пакете ANSYS. В качестве системы автоматического проектирования выбран Autodesk Inventor.

Результаты. Получены изображения температурных профилей на режимах 350 °С для толщины тепловой изоляции: 20 и 50 мм для аэрогеля, 70 и 150 мм для минеральной ваты. Проведенный анализ показал, что для всех вариантов температура поверхности оставалась ниже 60 °С, что свидетельствует о корректности выбора толщины изоляции. Для варианта теплоизоляции из минеральной ваты (150 мм) и аэрогеля (50 мм) температура поверхности оказалась значительно ниже необходимой, что позволило уменьшить толщину слоя изоляции до 70 мм для минеральной ваты и 20 мм для аэрогеля соответственно. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что использование тепловой изоляции на основе аэрогеля существенно уменьшает толщину теплоизолирующего слоя.

Выводы. Несмотря на сложность и дороговизну создания теплоизоляционных материалов на основе аэрогеля, его использование в составе теплового аккумулятора дает возможность избежать множества проблем, связанных со старением, разрушением и частой заменой тепловой изоляции, снизить нагрузку на теплоизоляционные конструкции и значительно повысить экономическую эффективность теплоэнергетических систем, сократив потери при производстве и передаче тепловой энергии.

1. Моржухин А.М., Моржухина С.В., Назмитдинов Р.Г., Мойа-Полл А. Теплоаккумулирующие материалы (обзор) // Вестник Международного университета природы, общества и человека «Дубна». Серия: Естественные и инженерные науки. 2016. № 4 (36). С. 24–33. EDN VROIKD.

2. Zalba B., Marín J.M., Cabeza L.F., Mehling H. Review on thermal energy storage with phase change: Materials, heat transfer analysis and applications // Applied Thermal Engineering. 2003. Vol. 23. Issue 3. Pp. 251–283. DOI: 10.1016/S1359-4311(02)00192-8

3. Zhang H., Baeyens J., Cáceres G., Degrève J., Lv Y. Thermal energy storage: Recent developments and practical aspects // Progress in Energy and Combustion Science. 2016. Vol. 53. Pp. 1–40. DOI: 10.1016/j.pecs.2015.10.003

4. Левина Ю.С., Усачев С.М., Усачев А.М. Получение энергосберегающих строительных материалов на основе традиционного сырья и теплоаккумулирующих добавок // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 4–2 (46). С. 124–126. DOI: 10.18454/IRJ.2016.46.218. EDN VVTKUD.

5. Бабаев Б.Д. Принципы теплового аккумулирования и используемые теплоаккумулирующие материалы // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52. № 5. С. 760. DOI: 10.7868/S0040364414050019. EDN SKIBBL.

6. Маркин Е.М., Шарпар Н.М. Использование теплового аккумулятора для снижения техногенных тепловых выбросов в окружающую среду // Инновационное развитие техники и технологий в промышленности (ИНТЕКС-2021) : сб. мат. Всерос. науч. конф. молодых исследователей с междунар. участием. 2021. С. 148–152. EDN USENGR.

7. Tian Y., Zhao C.Y. A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications // Applied Energy. 2013. Vol. 104. Pp. 538–553. DOI: 10.1016/j.apenergy.2012.11.051

8. Несов А.Е., Репкин Э.С., Сотникова О.А. Анализ тепловых режимов аккумулирования теплоты // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. 2012. № 2 (7). С. 84–89. EDN NPALAE.

9. Кудабаев Р.Б., Джумабаев А.А., Сулейменов У.С., Камбаров М.А., Риставлетов Р.А., Калшабекова Э.Н. Математическая модель теплообмена при фазовом переходе теплоаккумулирующего материала // Вестник Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Серия: Технические науки и технологии. 2022. № 2 (139). С. 102–110. DOI: 10.32523/2616-7263-2022-139-2-102-110. EDN HMBBLS.

10. Альбинская Ю.С., Усачев С.М., Ресснер Ф., Рудаков О.Б. Направления создания микрокапсулированных теплоаккумулирующих материалов с фазовым переходом // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного уни-верситета. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. 2013. № 7. С. 21–27. EDN RYFUET.

11. Яковлева Ю.С., Бирюков А.Н. Моделирование физических характеристик теплоаккумулирующих строительных материалов // Омский научный вестник. 2023. № 2 (186). С. 97–104. DOI: 10.25206/1813-8225-2023-186-97-104. EDN XKABVK.

12. Борщев Н.О. Определение эффективной тепловой проводимости тепловых аккумуляторов методами параметрической идентификации // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2024. № 1 (766). С. 101–109. DOI: 10.18698/0536-1044-2024-1-101-109. EDN MXDXAA.

13. Цымбалюк Ю.В., Гераськин М.В. Основы расчета фазопереходных тепловых аккумуляторов для автономной системы теплоснабжения одноквартирных и блокированных жилых домов // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. 2014. № 4–2 (17). С. 71–75. EDN STCGLN.

14. Boboev S.M., Eshmatov M.M., Aitmuratov B. Calculation and experimental study of water distributor of stratification heat accumulator of solar heating system // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2022. № 3 (88). С. 129–137.EDN MYELVA.

15. Умеренкова Э.В., Умеренков Е.В., Бобрыше-ва Д.В. Использование тепловых аккумуляторов для системы теплоснабжения индивидуального жилого дома // Будущее науки – 2018 : сб. науч. ст. 6-й Междунар. мол. науч. конф. 2018. С. 374–377. EDN UOXVNC.

16. Бабаев Б.Д., Мамаев Н.И. Определение тепловой нагрузки системы солнечного теплоснабжения с аккумулятором для жилого дома // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2003. № 2. С. 49–50. EDN HQVBIB.

17. Султангузин И.А., Христенко Б.А., Чайкин В.Ю., Яцюк Т.В., Кругликов Д.А., Яворский Ю.В. и др. Разработка и исследование сезонного аккумулятора теплоты и холода для системы энергоснабжения здания // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2021. № 3 (231). С. 39–44. EDN PJQWXI.

18. Сенцов И.В., Постникова П.И., Цыгвинцев И.В., Козлова К.С., Шкорко М.Ю., Журович Е.А. и др. Аккумулирование тепла в тепловом аккумуляторе для дежурного отопления индивидуального дома // Синергия наук. 2017. № 9. С. 353−365. EDN YHHYHF.

19. Пральников Д.Ф., Ткаченко В.С., Ващенко Е.С. Вариант включения в систему теплопотребления многоэтажного жилого дома теплового аккумулятора // Наука молодых — будущее России : сб. науч. ст. 8-й Междунар. науч. конф. перспективных разработок молодых ученых. 2023. С. 138–141. EDN XEZWSE.

20. Бабаев Б.Д. Разработка и исследование энергосистем на основе возобновляемых источников с фазопереходным аккумулированием тепла : дис. М., 2016. 345 с. EDN UMBMEB.

21. Сотникова О.А., Турбин B.C., Григорьев В.А. Аккумуляторы теплоты теплогенерирующих установок систем теплоснабжения // АВОК. 2003. № 5.

22. Melita L., Croitoru С. Aerogel, a high performance material for thermal insulation — a brief overview of the building applications // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 111. P. 06069. DOI: 10.1051/e3sconf/201911106069

23. Wei T.Y., Lu S.Y. Aerogels for energy saving and storage // Energy Efficiency and Renewable Energy Through Nanotechnology. 2011. Pp. 873–911. DOI: 10.1007/978-0-85729-638-2_25

24. Kong X., Nie R., Yuan J. A review of shape stabilized aerogel-based phase change materials for preparation, classification and applications // Energy and Built Environment. 2023. DOI 10.1016/j.enbenv.2023.11.001

25. Wu L., Zhao B., Gao D., Jiao D., Hu M., Pei G. Solar transparent and thermally insulated silica aerogel for efficiency improvement of photovoltaic/thermal collectors // Carbon Neutrality. 2023. Vol. 2. Issue 1. DOI: 10.1007/s43979-023-00046-8