Engineering
Magazyn sprężonego powietrza
Naładuj zbiorniki sprężarką i wypuść powietrze z powrotem przez rozprężarkę. Odprowadź ciepło sprężania w chłodnicy, zmagazynuj je w akumulatorze kamiennym albo zostaw w powietrzu, przechowaj sprężone powietrze przez wiele godzin i porównaj, ile oddaje każdy cykl.
Co się dzieje
Stalowe zbiorniki, każdy o pojemności 25 m³, mieszczą powietrze pod ciśnieniem od 4 do 20 bar. Sprężarka o sprawności izentropowej 85 % tłoczy do nich powietrze z otoczenia; im wyższe ciśnienie, przeciw któremu pracuje, tym gorętsze powietrze na wylocie – 459 K przy 4 bar, 757 K przy 20 bar. Gorące powietrze trafia do zbiornika bez zmian, przez chłodnicę końcową, która odprowadza jego ciepło, albo przez akumulator ze złożem kamiennym, który je zatrzymuje. W drodze powrotnej rozprężarka rozpręża powietrze od ciśnienia w zbiorniku do atmosferycznego i napędza generator; przy akumulatorze powietrze najpierw odbiera z powrotem ciepło. Ścianka zbiornika wymienia ciepło z otoczeniem, 150 W/K.
Jeden cykl 50 m³ od 4 do 20 bar i z powrotem przy 1 kg/s: gdy ciepło zostaje w powietrzu, wraca 65,1 % energii elektrycznej, ale tylko dopóki powietrze jest gorące – po dwóch godzinach przechowywania wraca 23,7 %. Chłodnica końcowa od razu odprowadza ciepło: 34,9 %. Akumulator kamienny oddaje 52,6 %, a po dwóch godzinach 35,2 %. Rozprężane od temperatury otoczenia powietrze wychodziłoby daleko poniżej punktu zamarzania: z 20 °C przy 20 bar powietrze wylotowe ma 150 K.
Model: gaz doskonały o stałych ciepłach właściwych w jednym, dobrze wymieszanym zbiorniku, pierwsza zasada termodynamiki dla układu otwartego zastosowana do jego masy i energii wewnętrznej; sprężarka i rozprężarka jako pojedyncze stopnie adiabatyczne; wymienniki ciepła o skuteczności 0,9; akumulator jako jedna pojemność cieplna 0,5 MJ/K z niewielką stratą; RK4 z krokiem 1 s.
Co wypróbować
Wykonaj po jednym cyklu dla każdego sposobu postępowania z ciepłem i porównaj sprawności cyklu. Potem przechowaj sprężone powietrze kilka godzin: gorące powietrze stygnie, a jego ciepło zabiera ze sobą energię.
Równania modułu
Równania T_c = T_a·(1 + (π^((γ−1)/γ) − 1)/η_c) d(m·u)/dt = q_in·h_in − q_out·h + UA·(T_a − T) p·V = m·R·T P_e = η_g·q·c_p·(T_in − T_out)
