1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 3, 2024

Теплоэнергетика, 2024, № 3, стр. 18-31

Разработка конструктивных решений аккумулятора фазового перехода в условиях его функционирования в едином энергокомплексе с аэс

Р. З. Аминов a, *, М. В. Гариевский a, Д. М. Аношин a

a Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина
410054 г. Саратов, Политехническая ул., д. 77, Россия

* E-mail: oepran@inbox.ru

Поступила в редакцию 20.03.2023
После доработки 31.07.2023
Принята к публикации 30.08.2023

Аннотация

В условиях роста доли атомных электростанций в энергосистемах европейской части России и дефицита маневренных генерирующих мощностей возникает необходимость привлечения АЭС к участию в покрытии переменной части графика электрических нагрузок. Использование аккумулирующих установок, таких как тепловые аккумуляторы фазового перехода, способные запасать тепловую энергию, получаемую от реакторных установок АЭС в часы спада нагрузки в энергосистеме, и расходовать ее в часы пиковых нагрузок для выработки электроэнергии, позволит повысить системную эффективность АЭС. На основе проведенного анализа выделены перспективные теплоаккумулирующие материалы (ТАМ) с фазовым переходом для эксплуатации в системах теплового аккумулирования при температурном режиме от 200 до 300°С, который обусловлен характеристиками паротурбинной установки АЭС, в том числе параметрами питательной воды и свежего пара. Для принятой схемы установки с аккумулятором фазового перехода (АФП) с повышением температуры питательной воды после подогревателей высокого давления двухконтурной АЭС разработаны методологические основы выбора конструктивных решений системы аккумулирования с нитратом лития в качестве теплоаккумулирующего материала. Методом конечных элементов в программном комплексе для ЭВМ проведено моделирование нестационарного теплообмена между этим материалом и водой для оребренных и неоребренных труб применительно к элементарной секции АФП. По результатам расчетов построены графики зависимости тепловой мощности секции от продолжительности разрядки АФП. Предложены способы расчета продолжительности разрядки АФП и массы необходимого теплоаккумулирующего материала при снижении тепловой мощности. Для схемы с дополнительной паротурбинной установкой мощностью 12 МВт (для энергоблоков АЭС с ВВЭР-1200) определены основные характеристики аккумулятора фазового перехода и эффективность предложенного решения при различной продолжительности разрядки АФП.

Ключевые слова: атомная электростанция, тепловое аккумулирование, аккумулятор фазового перехода, материал с фазовым переходом, математическое моделирование, метод конечных элементов

Список литературы

  1. Thermo-economic assessment of flexible nuclear power plants in future low-carbon electricity systems: Role of thermal energy storage / A.A. Al Kindi, M. Aunedi, A.M. Pantaleo, G. Strbac, C.N. Markides // Energy Convers. Manage. 2022. V. 258. P. 115484. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115484

  2. Carlson F., Davidson J.H. Parametric study of thermodynamic and cost performance of thermal energy storage coupled with nuclear power // Energy Convers. Manage. 2021. V. 236. P. 114054. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.114054

  3. Чаховский В.М. Аккумуляторы тепла на АЭС // Атомная энергия. 1984. Т. 56. Вып. 6. С. 389–395.

  4. Проект первой маневренной АЭС с аккумуляторами тепла / А.Е. Власов, М.Е. Воронков, М.З. Кривошей, Ю.А. Мостовой, В.М. Чаховский // Атомная энергия. 1987. Т. 62. Вып. 5. С. 302–307.

  5. Боровков В.М., Кушаков А.В. Повышение маневренности АЭС с помощью аккумуляторов энергии // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2010. № 5–6. С. 135–139.

  6. Бажанов В.В., Лощаков И.И., Щуклинов А.П. Исследование возможности использования на АЭС аккумуляторов тепловой энергии при регулировании частоты тока в сети // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2013. № 4. С. 29–36.

  7. Аминов Р.З. Применение многофункциональных систем с тепловыми аккумуляторами фазового перехода как путь повышения безопасности и эффективности АЭС // Теплоэнергетика. 2022. № 8. С. 5–13. https://doi.org/10.56304/S004036362208001X

  8. Aminov R., Yurin V., Murtazov M. Efficiency and economic assessment of combining nuclear power plants with multifunctional heat accumulation systems // Int. J. Energy Res. 2021. V. 45. Is. 8. P. 12464–12473. https://doi.org/10.1002/er.6580

  9. Аминов Р.З., Гариевский М.В. Оценка эффективности АЭС при использовании аккумуляторов фазового перехода // Теплоэнергетика. 2023. № 2. С. 78–89. https://doi.org/10.56304/S0040363623020017

  10. Абросимова Н.И., Каверзнев М.М. К вопросу о конкурентоспособности системы аккумулирования тепловой энергии как способа организации маневренного режима АЭС // Вестник МЭИ. 2016. № 5. С. 57–62.

  11. Rocha T.T.M., Trevizoli P.V., de Oliveira R.N. A timeline of the phase-change problem for latent thermal energy storage systems: A review of theoretical approaches from the 1970′s to 2022 // Sol. Energy. 2023. V. 250. P. 248–284. https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.12.035

  12. Liu B., Zhang X., Ji J. Review on solar collector systems integrated with phase-change material thermal storage technology and their residential applications // Int. J. Energy Res. 2021. V. 45. Is. 6. C. 8347–8369. https://doi.org/10.1002/er.6397

  13. A review on current status and challenges of inorganic phase change materials for thermal energy storage systems / S.A. Mohamed, F.A. Al-Sulaiman, N.I. Ibrahim, Md. H. Zahir, A. Al-Ahmed, R. Saidur, B.S. Yılbaş, A.Z. Sahin // Renewable Sustainable Energy Rev. 2017. V. 70. P. 1072–1089. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.12.012

  14. Nomura T., Okinaka N., Akiyama T. Technology of latent heat storage for high temperature application: A review // ISIJ Intern. 2010. V. 50. Is. 9. P. 1229–1239. https://doi.org/10.2355/isijinternational.50.1229

  15. Latent heat thermal energy storage systems with solid-liquid phase change materials: A review / N. Zhang, Y. Yuan, X. Cao, Y. Du, Z. Zhang, Y. Gui // Adv. Eng. Mater. 2018. V. 20. Is. 6. P. 1700753. https://doi.org/10.1002/adem.201700753

  16. Бекман Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии: пер. с англ. М.: Мир, 1987.

  17. Dinçer İ., Rosen M.A. Thermal energy storage: systems and applications. John Wiley & Sons, 2010.

  18. A review on phase-change materials: Mathematical modeling and simulations / Y. Dutil, D.R. Rousse, N.B. Salah, S. Lassue, L. Zalewski // Renewable Sustainable Energy Rev. 2011. V. 15. Is. 1. P. 112–130. https://doi.org/10.1016/j.rser.2010.06.011

  19. Development of high temperature phase-change-material storages / D. Laing, T. Bauer, N. Breidenbach, B. Hachmann, M. Johnson // Appl. Energy. 2013. V. 109. P. 497–504. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.11.063

  20. High temperature latent heat thermal energy storage integration in a co-gen plant / M. Johnson, J. Vogel, M. Hempel, A. Dengel, M. Seitz, B. Hachmann // Energy Procedia. 2015. V. 73. P. 281–288. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.07.689

  21. Бабаев Б.Д. Принципы теплового аккумулирования и используемые теплоаккумулирующие материалы // ТВТ. 2014. Т. 52. № 5. С. 760–776. https://doi.org/10.7868/S0040364414050019

  22. A ranking methodology for the coupling of pressurized water nuclear reactors and molten salt thermal energy storage / J. Wallace, C.J. Hirschi, C. Vann, M. Memmott // J. Energy Storage. 2023. V. 59. P. 106562. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.106562

  23. Selection principles and thermophysical properties of high temperature phase change materials for thermal energy storage: A review / G. Wei, G. Wang, C. Xu, X. Ju, L. Xing, X. Du, Y. Yang // Renewable Sustainable Energy Rev. 2018. V. 81. P. 1771–1786. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.271

  24. Khan M.I., Asfand F., Al-Ghamdi S.G. Progress in research and development of phase change materials for thermal energy storage in concentrated solar power // Appl. Therm. Eng. 2023. V. 219. Part B. P. 119546. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119546

  25. Zhou C., Wu S. Medium- and high-temperature latent heat thermal energy storage: Material database, system review, and corrosivity assessment // Int. J. Energy Res. 2019. V. 43. Is. 2. P. 621–661. https://doi.org/10.1002/er.4216

  26. Jankowski N.R., McCluskey F.P. A review of phase change materials for vehicle component thermal buffering // Appl. Energy. 2014. V. 113. P. 1525–1561. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.08.026

  27. Kenisarin M.M. High-temperature phase change materials for thermal energy storage // Renewable Sustainable Energy Rev. 2010. V. 14. Is. 3. P. 955–970. https://doi.org/10.1016/j.rser.2009.11.011

  28. Investigation of latent heat thermal energy storage materials: V. thermoanalytical evaluation of binary eutectic mixtures and compounds of NAOH with NaNO3 or NaNO2 / Y. Takahashi, M. Kamimoto, Y. Abe, R. Sakamoto, K. Kanari, T. Ozawa // Thermochim. Acta. 1988. V. 123. P. 233–245. https://doi.org/10.1016/0040-6031(88)80027-3

  29. Latent thermal energy storage for solar process heat applications at medium-high temperatures – A review / A. Crespo, C. Barreneche, M. Ibarra, W. Platzer // Sol. Energy. 2019. V. 192. P. 3–34. https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.06.101

  30. Latent heat storage above 120°C for applications in the industrial process heat sector and solar power generation / R. Tamme, T. Bauer, J. Buschle, D. Laing, H. Müller-Steinhagen, W.-D. Steinmann // Int. J. Energy Res. 2008. V. 32. Is. 3. C. 264–271. https://doi.org/10.1002/er.1346

  31. Thermophysical, environmental, and compatibility properties of nitrate and nitrite containing molten salts for medium temperature CSP applications: A critical review / T. Delise, A.C. Tizzoni, M. Ferrara, N. Corsaro, C. D’Ottavi, S. Sau, S. Licoccia // J. European Ceramic Soc. 2019. V. 39. Is. 1. P. 92–99. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.07.057

  32. Review of thermal materials for CSP plants and LCOE evaluation for performance improvement using Chilean strategic minerals: lithium salts and copper foams / G. Cáceres, M. Montané, S. Nasirov, R. O’Ryan // Sustainability. 2016. V. 8. Is. 2. P. 106. https://doi.org/10.3390/su8020106

  33. Molten salt latent thermal energy storage for load following generation in nuclear power plants / Y. Abe, Y. Takahashi, K. Kanari, M. Kamimoto, R. Sakamoto, T. Ozawa // Proc. of the 21st Intersociety Energy Conversion Engineering Conf. San Diego, California, USA, 25–29 Aug. 1986. P. 856–861.

  34. Thermal conductivity enhancement of phase change materials for thermal energy storage: A review / L. Liu, D. Su, Y. Tang, G. Fang // Renewable Sustainable Energy Rev. 2016. V. 62. P. 305–317. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.04.057

  35. Hariss M., Gounni A., El Alami M. A practical guide on numerical and experimental investigations of solid-liquid phase-change heat transfer using some heat transfer enhancement techniques: Case study in Morocco // J. Energy Storage. 2022. V. 52. Part C. P. 105070. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105070

  36. Highly conductive composites made of phase change materials and graphite for thermal storage / S. Pincemin, R. Olives, X. Py, M. Christ // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2008. V. 92. Is. 6. P. 603–613. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2007.11.010

  37. Шишкин Н.Д., Цымбалюк Ю.В. Фазопереходные тепловые аккумуляторы с высокотеплопроводными инклюзивами: монография. Астрахань: Новая Линия, 2006.

  38. Dhaidan N.S., Khodadadi J.M. Improved performance of latent heat energy storage systems utilizing high thermal conductivity fins: A review // J. Renewable Sustainable Energy. 2017. V. 9. Is. 3. P. 034103. https://doi.org/10.1063/1.4989738

  39. Performance evaluation of latent heat TES system-case study: Dimensions improvements of annular fins exchanger / Z. Elmaazouzi, M. El Alami, H. Agalit, E.G. Bennouna // Energy Rep. 2020. V. 6. P. 294–301. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2019.08.059

  40. Vogel J., Keller M., Johnson M. Numerical modeling of large-scale finned tube latent thermal energy storage systems // J. Energy Storage. 2020. V. 29. P. 101389. https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101389

  41. Effect of shell shape on the charging and discharging performance of a vertical latent heat thermal energy storage unit: An experimental study / B. Lu, Y. Zhang, Z. Wang, J. Zhu, J. Zhang, D. Sun // J. Energy Storage. 2022. V. 56. Part A. P. 105996. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105996

  42. Heat transfer enhancement of phase change materials by fins under simultaneous charging and discharging / M.M. Joybari, F. Haghighat, S. Seddegh, A.A. Al-Abidi // Energy Convers. Manage. 2017. V. 152. P. 136–156. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.09.018

  43. Vogel J., Johnson M. Natural convection during melting in vertical finned tube latent thermal energy storage systems // Appl. Energy. 2019. V. 246. P. 38–52. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.04.011

  44. Vogel J., Thess A. Validation of a numerical model with a benchmark experiment for melting governed by natural convection in latent thermal energy storage // Appl. Therm. Eng. 2019. V. 148. P. 147–159. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.11.032

  45. Numerical study of the heat charging and discharging characteristics of a shell-and-tube phase change heat storage unit / W.-W. Wang, K. Zhang, L.-B. Wang, Y.-L. He // Appl. Therm. Eng. 2013. V. 58. Is. 1–2. P. 542–553. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.04.063

  46. Ali M., Alkaabi A.K., Lee J.I. CFD simulation of an integrated PCM-based thermal energy storage within a nuclear power plant connected to a grid with constant or variable power demand // Nucl. Eng. Des. 2022. V. 394. P. 111819. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2022.111819

  47. Sizing the thermal energy storage device utilizing phase change material (PCM) for low-temperature organic Rankine cycle systems employing selected hydrocarbons / S. Daniarta, M. Nemś, P. Kolasiński, M. Pomorski // Energies. 2022. V. 15. Is. 3. P. 956. https://doi.org/10.3390/en15030956

  48. Experimental and numerical analysis of a phase change material-based shell-and-tube heat exchanger for cold thermal energy storage / A. Fragnito, N. Bianco, M. Iasiello, G.M. Mauro, L. Mongibello // J. Energy Storage. 2022. V. 56. P. 105975. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105975

  49. Sensitivity analysis and optimization of structural parameters of a phase change material based multi-tube heat exchanger under charging condition / X. Ma, Q. Zhang, J. Wang, C. Yue // J. Energy Storage. 2022. V. 56. Part B. P. 105940. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105940

  50. Пат. 2680380 РФ, МПК G21D 5/00. Способ повышения мощности и безопасности энергоблока АЭС с реактором типа ВВЭР на основе теплового аккумулирования / Р.З. Аминов, В.Е. Юрин, М.А. Муртазов. Заявители и патентообладатели Р.З. Аминов, В.Е. Юрин, М.А. Муртазов. Заявл. 01.12.2017. Опубл. 20.02.2019 // Б. И. 2019. № 5.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал