21.1. Тепловой аккумулятор

Принцип теплового аккумулятора заключается в том, что соответствующее вещество нагревается до высокой температуры (или расплавляется) и покрывается теплоизоляционным слоем, отделяющим его от окружающей среды. Теплота, затрачиваемая для нагревания или расплавления вещества, сохраняется для дальнейшего использования, и ее можно отводить до тех пор, пока вещество не приобретет температуру окружающей среды. Такой аккумулятор не изнашивается и поэтому имеет большой срок службы.

Система отвода теплоты от аккумулятора к двигателю должна быть короткой и иметь теплоизоляцию во избежание потерь теплоты. На рис. 142 изображен процесс зарядки теплового аккумулятора на базе LiF, а на рис. 143 - изменение теплоемкости его наполнителя - фтористого лития LiF в зависимости от температуры. Следует обратить внимание на диапазон температуры от 550 °С до точки плавления LiF, соответствующей 848 °С. Для нагревания 1 кг LiF в этом температурном интервале требуется около 220 Вт⋅ч. Для полного расплава такого количества LiF (вертикальный участок кривой Q при температуре 848 °С, рис. 142) необходимо подвести энергию мощностью 472 Вт⋅ч. Превращение тепловой энергии в механическую в двигателе Стирлинга с таким тепловым аккумулятором будет происходить с определенным КПД η (см. рис. 142), зависящим от температуры [20]. Окончательная плотность энергии после превращения ее в механическую в такой силовой установке равна приблизительно 200 Вт⋅ч/кг.

Рис. 142. Процесс зарядки теплового аккумулятора с наполнителем из фтористого лития LiF: Q - кривая подвода энергии к аккумулятору; W - механическая энергия, вырабатываемая в двигателе Стирлинга; η - КПД двигателя Стирлинга (слева)

Рис. 143. Изменение теплоемкости С фтористого лития в зависимости от температуры t (справа)

Для передачи теплоты от теплового аккумулятора к двигателю могут быть применены так называемые тепловые трубки, использующие тепловые эффекты, возникающие при изменении агрегатного состояния вещества, например, металла и соли. В тепловом аккумуляторе (см. рис. 112, гл. 14) для переноса теплоты применен жидкий натрий, испаряющийся в емкости с наполнителем из фтористого лития LiF. Пары натрия поступают к головке двигателя Стирлинга, где, отдавая теплоту, конденсируются и по оболочке тепловых трубок (пунктирная линия, рис. 112) вновь возвращаются в емкость с LiF.

Если двигатель не работает, то тепловая трубка закрыта. При хорошей теплоизоляции потери аккумулированной теплоты за 24 ч составляют 12 %. Разумеется, такой результат неприемлем для условий, когда автомобиль не находится в постоянной эксплуатации. В табл. 20 приведены характеристики различных автомобилей и массы тепловых аккумуляторов, требуемых для получения различных запасов хода. По расчетам фирмы "Филипс", представленным в этой таблице, запас хода легкового автомобиля малого класса полной массой 1135 кг при применении теплового аккумулятора, масса которого (с тепловым трубопроводом) составляет 139 кг, будет равен 311 км.

Таблица 20. Характеристики автомобилей и массы тепловых аккумуляторов, обеспечивающих требуемый запас хода