Engineering
Накопитель на сжатом воздухе
Зарядите ресиверы компрессором и выпустите воздух обратно через детандер. Сбросьте теплоту сжатия в охладителе, сохраните её в каменном аккумуляторе или оставьте в воздухе, подержите заряд несколько часов и сравните, сколько возвращает каждый цикл.
Что происходит
Стальные ресиверы по 25 м³ каждый держат воздух под давлением от 4 до 20 бар. Компрессор с изоэнтропным КПД 85 % нагнетает в них атмосферный воздух; чем выше давление, против которого он работает, тем горячее воздух на выходе — 459 К при 4 бар, 757 К при 20 бар. Горячий воздух поступает в ресивер как есть, через концевой охладитель, который сбрасывает его теплоту, или через аккумулятор теплоты с каменной засыпкой, который её сохраняет. На обратном пути детандер расширяет воздух от давления в ресивере до атмосферного и вращает генератор; при работе с аккумулятором воздух сначала забирает теплоту обратно. Стенка ресивера обменивается теплотой с окружающей средой, 150 Вт/К.
Один цикл на 50 м³ от 4 до 20 бар и обратно при 1 кг/с: если теплота остаётся в воздухе, возвращается 65,1 % электроэнергии, но только пока воздух горячий — после двух часов хранения возвращается 23,7 %. Концевой охладитель сбрасывает теплоту сразу: 34,9 %. Каменный аккумулятор возвращает 52,6 %, а после двух часов — 35,2 %. При расширении от температуры окружающей среды воздух выходил бы намного холоднее точки замерзания: от 20 °C при 20 бар он охлаждается на выходе до 150 К.
Модель: идеальный газ с постоянными удельными теплоёмкостями в одном хорошо перемешанном ресивере, первое начало термодинамики для открытой системы, записанное для массы и внутренней энергии воздуха; компрессор и детандер — одиночные адиабатные ступени; теплообменники с эффективностью 0,9; аккумулятор — одна теплоёмкость 0,5 МДж/К с небольшими потерями; RK4 с шагом 1 с.
Что попробовать
Проведите по одному циклу с каждым способом обращения с теплотой и сравните КПД цикла. Затем подержите заряд несколько часов: горячий воздух остывает, и вместе с его теплотой уходит энергия.
Уравнения модуля
Уравнения 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)
