26. Энергетический баланс теплового аккумулятора.

Тепловое аккумулирование – это физические или химические процессы, посредством которых происходит накопление тепла в тепловом аккумуляторе энергии (ТАЭ). Аккумулятор состоит из резервуара для хранения (обычно теплоизолированного), аккумулирующей среды (рабочего тела), устройств для зарядки и разрядки и вспомогательного оборудования.  Аккумулирующая система характеризуется способами, которыми энергия для зарядки аккумулятора отбирается от источника, трансформируется (при необходимости) в требуемый вид энергии и отдается потребителю. На рис. показан процесс теплового аккумулирование с использованием сосуда-аккумулятора. Баланс энергии для этого процесса в общем виде можно записать: ,где -подведенная энергия, -отведенная энергия, -аккумулированная.

Рис.. Энергетический баланс аккумулятора

Применяя первый закон термодинамики для подведенной и отведенной энергии к этой открытой системе, получим основное уравнение аккумулирования энергии для открытых систем в дифференциальной форме:

где mак – масса аккумулирующей среды; u – внутренняя энергия (отсчитываемая от произвольного нулевого уровня); p – давление; v – удельный объем; g – ускорение силы тяжести; H – высота (отсчитываемая от произвольного нулевого уровня); gH – удельная потенциальная энергия; c – скорость течения;c 2 /2-удельная кинетическая энергия; dQ – тепло, подведенное к системе; dW – работа системы, не зависящая от переноса массы (например, при движении стенок системы, электрическая энергия, энергия вала двигателя.

Исследование последнего уравнения показывает, что аккумулирова-

ние энергии может осуществляться в результате изменения: а) удельной внутренней энергии; б) удельной потенциальной энергии; в) удельной кинетической энергии; г) массы системы. К тепловому аккумулированию энергии обычно относят случай (а), а также случай (б), если удельная внутренняя энергия рабочего тела выше, чем окружающей среды.

Если накопление и кинетической, и потенциальной энергии исключено

(c ак 0, H 0 ) и если, кроме того, члены последнего уравнения соответствующие кинетической и потенциальной энергиям подводимой и отводимой масс,пренебрежимо малы, а работа ограничена движением поверхностей, ограничивающих систему, т. е. если

где V ак– объем аккумулятора; p ак – давление в аккумуляторе, то последнееуравнение преобразуется к виду, справедливому для аккумулятора тепла

_{Соответственно баланс массы запишется как}

27 Работа ветрового колеса крыльчатого ветродвигателя.

Крыльчатые ветроколеса работают за счёт косого удара при движении лопастей перпендикулярно к направлению скорости ветра в противоположность к прямому удару, рассмотренному в предыдущем случае. Устройство такого колеса показано на рис. 6.4.1. На горизонтальном валу закреплены крылья, число которых у современных ветродвигателей бывает от 2 и больше. Крыло ветроколеса состоит из маха а и лопасти b, закрепляемой на махе так, что она образует с плоскостью вращения некоторый угол . Этот угол называют углом заклинения ло- пасти (рис. 6.4.1). При этом на её элементы набегает воздушный поток с относительной скоростью W под углом a , который называют углом атаки, и действует с силой R. Углы и a в значительной мере определяют эффективность крыльев. Силу R раскладывают на силы xP иyP (рис. 6.4.2, а). Силы xP производят давление в направлении ветра, которое называется лобовым давлением. Силы yP действуют в плоскости y y ? вращения ветроколеса и создают крутящий момент.  Рис. 6.4.1. Конструктивная схема крыльчатого ветроколеса. Скоростью ветра называют расстояние в метрах, проходимое массой воздуха в течение одной секунды. Скорость ветра постоянно меняется по величине и направлению. Причиной этих изменений является неравномерное нагревание земной поверхности и неровности рельефа местности. Скорость ветра является важнейшей характеристикой технических свойств ветра. Поток ветра с поперечным сечением F обладает кинетической энергией, определяемой выражением (mV²)/2 (7.3.1) Масса воздуха, протекающая через поперечное сечение F со скоростью V, равна (7.3.2) m =F ϸV . Подставив (7.3.2) в выражение кинетической энергии (7.3.1), получим (mV²)/2 =( F ϸV³)/2 (7.3.3) Из (7.3.3) следует, что энергия ветра изменяется пропорционально кубу его скорости. Посмотрим, сколько процентов энергии ветра может превратить в полезную работу. Поверхность, поставленная перпендикулярно к направлению ветра и перемещающаяся в этом же направлении, что имеет место, например, у ветродвигателей карусельного типа. Мощность T определяется произведением силы P на скорость V:

T = P *V. (7.3.4) Одну и ту же работу можно получить либо за счёт большой силы при малой скорости перемещения рабочей поверхности, либо, наоборот, за счёт малой силы, а следовательно и малой поверхности, но при соответственно увеличенной скорости её перемещения. Допустим, мы имеем поверхность F, поставленную перпендикулярно к направлению ветра. Воздушный поток, вследствие торможения его поверхностью, получит подпор и будет обтекать её и производить давление силой Px. Вследствие действия этой силы поверхность будет перемещаться в направлении потока с некоторой скоростью U (рис. 7.9); работа при этом будет равна произведению силы на скорость U, с которой перемещается поверхность F, т.е.

T = Px *U, (7.3.5) где Px – сила сопротивления, которая равна: P_х= C_х *F*( ϸ /2)*(V-U)². где Cx – аэродинамический коэффициент лобового сопротивления; F – поверхность миделевого сечения тела, т.е. проекции площади тела на плоскость, перпендикулярную направлению воздушного потока. В этом случае ветер набегает на поверхность с относительной скоростью, равной W =V -U. (7.3.7)

Подставив значение Px из уравнения (7.3.6) в уравнение (7.3.5), получим

(7.3.8)

Определим отношение работы, развиваемой движущейся поверхностью и выраженной уравнением (7.3.8), к энергии ветрового потока, имеющего поперечное сечение, равное этой поверхности, а именно:

После преобразований получим Величину называют коэффициентом использования энергии ветра. Из уравнения (7.3.10) мы видим, что он зависит от скорости перемещения поверхности в направлении ветра. При некотором значении скорости U коэффициент получает максимальное значение. В самом деле, если скорость перемещения

поверхности равна нулю (U = 0), то работа ветра также равна нулю. Если U = V, т.е. поверхность перемещается со скоростью ветра, работа также будет равна нулю, т.к. нет силы сопротивления, за счёт которой совершается работа. Отсюда следует, что значение скорости U заключено в пределах между U = 0 и U = V. Установлено, чтобы получить максимальное , поверхность должна перемещаться со скоростью

U = 1/3V . Максимальный коэффициент использования энергии ветра при работе поверхности

силой сопротивления не может быть больше 0,192 .