Engineering
Накопичувач на стисненому повітрі
Зарядіть ресивери компресором і випустіть повітря назад через детандер. Скиньте теплоту стиснення в охолоджувачі, збережіть її в кам’яному акумуляторі або залиште в повітрі, потримайте заряд кілька годин і порівняйте, скільки повертає кожен цикл.
Що відбувається
Сталеві ресивери по 25 м³ кожен тримають повітря під тиском від 4 до 20 бар. Компресор з ізоентропним ККД 85 % нагнітає в них атмосферне повітря; що вищий тиск, проти якого він працює, то гарячіше повітря на виході — 459 К за 4 бар, 757 К за 20 бар. Гаряче повітря надходить у ресивер як є, через кінцевий охолоджувач, який скидає його теплоту, або через акумулятор теплоти з кам’яною засипкою, який її зберігає. На зворотному шляху детандер розширює повітря від тиску в ресивері до атмосферного й обертає генератор; з акумулятором повітря спершу забирає теплоту назад. Стінка ресивера обмінюється теплотою з довкіллям, 150 Вт/К.
Один цикл на 50 м³ від 4 до 20 бар і назад за 1 кг/с: якщо теплота лишається в повітрі, повертається 65,1 % електроенергії, але лише доки повітря гаряче — після двох годин зберігання повертається 23,7 %. Кінцевий охолоджувач скидає теплоту одразу: 34,9 %. Кам’яний акумулятор повертає 52,6 %, а після двох годин — 35,2 %. Розширюючись від температури довкілля, повітря виходило б із температурою, далеко нижчою від точки замерзання: від 20 °C за 20 бар воно охолоджується на виході до 150 К.
Модель: ідеальний газ зі сталими питомими теплоємностями в одному добре перемішаному ресивері, перший закон термодинаміки для відкритої системи, записаний для маси та внутрішньої енергії повітря; компресор і детандер — поодинокі адіабатні ступені; теплообмінники з ефективністю 0,9; акумулятор — одна теплоємність 0,5 МДж/К з невеликими втратами; RK4 з кроком 1 с.
Що спробувати
Проведіть по одному циклу з кожним способом поводження з теплотою й порівняйте ККД циклу. Потім потримайте заряд кілька годин: гаряче повітря остигає, і разом із його теплотою йде енергія.
Рівняння модуля
Рівняння 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)
