Heat accumulator with aerogel-based thermal insulation material

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Installations for thermal energy storage make it possible to smooth peak loads and provide stability of heat and power system. These solutions are of particular relevance for private households. The purpose of this paper is to analyze the feasibility of using a heat accumulator based on talc-magnesite and with aerogel thermal insulation.Materials and methods. In order to determine the temperature on the insulation surface and visualize the temperature profile, simulation in the ANSYS software package was carried out. Autodesk Inventor was selected as an automatic design system.Results. Images of temperature profiles were obtained at 350 °C for thermal insulation thicknesses: 20 and 50 mm for aerogel, 70 and 150 mm for mineral wool. The analysis showed that for all options the surface temperature remained below 60 °C, which indicates the correct choice of insulation thickness. For the thermal insulation option made of mineral wool (150 mm) and aerogel (50 mm), the surface temperature turned out to be significantly lower than necessary, which made it possible to reduce the thickness of the insulation layer to 70 mm for mineral wool and 20 mm for aerogel, respectively. The results obtained allow us to conclude that the use of aerogel-based thermal insulation can significantly reduce the thickness of the heat-insulating layer.Conclusions. Despite the complexity and high cost of creating thermal insulating materials based on aerogel, its use as part of a thermal accumulator will help avoid many problems associated with aging, destruction and frequent replacement of thermal insulation, reduce the load on thermal insulation structures and significantly increase the economic efficiency of thermal power systems, reducing losses during production and transfer of thermal energy.

About the authors

A. V. Fedyukhin

National Research University “Moscow Power Engineering Institute” (MPEI)

Email: fedyukhinav@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1819-0450

V. A. Karasevich

Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University) (Gubkin University)

Email: crucian-74@mail.ru

M. S. Povernov

Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Email: 8@1024.su

O. V. Afanas’eva

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (SPbPU)

Email: eccolga@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6614-2728

References

  1. Моржухин А.М., Моржухина С.В., Назмитдинов Р.Г., Мойа-Полл А. Теплоаккумулирующие материалы (обзор) // Вестник Международного университета природы, общества и человека «Дубна». Серия: Естественные и инженерные науки. 2016. № 4 (36). С. 24–33. EDN VROIKD.
  2. Zalba B., Marín J.M., Cabeza L.F., Mehling H. Review on thermal energy storage with phase change: Materials, heat transfer analysis and applications // Applied Thermal Engineering. 2003. Vol. 23. Issue 3. Pp. 251–283. doi: 10.1016/S1359-4311(02)00192-8
  3. Zhang H., Baeyens J., Cáceres G., Degrève J., Lv Y. Thermal energy storage: Recent developments and practical aspects // Progress in Energy and Combustion Science. 2016. Vol. 53. Pp. 1–40. doi: 10.1016/j.pecs.2015.10.003
  4. Левина Ю.С., Усачев С.М., Усачев А.М. Получение энергосберегающих строительных материалов на основе традиционного сырья и теплоаккумулирующих добавок // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 4–2 (46). С. 124–126. doi: 10.18454/IRJ.2016.46.218. EDN VVTKUD.
  5. Бабаев Б.Д. Принципы теплового аккумулирования и используемые теплоаккумулирующие материалы // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52. № 5. С. 760. doi: 10.7868/S0040364414050019. EDN SKIBBL.
  6. Маркин Е.М., Шарпар Н.М. Использование теплового аккумулятора для снижения техногенных тепловых выбросов в окружающую среду // Инновационное развитие техники и технологий в промышленности (ИНТЕКС-2021) : сб. мат. Всерос. науч. конф. молодых исследователей с междунар. участием. 2021. С. 148–152. EDN USENGR.
  7. Tian Y., Zhao C.Y. A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications // Applied Energy. 2013. Vol. 104. Pp. 538–553. doi: 10.1016/j.apenergy.2012.11.051
  8. Несов А.Е., Репкин Э.С., Сотникова О.А. Анализ тепловых режимов аккумулирования теплоты // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. 2012. № 2 (7). С. 84–89. EDN NPALAE.
  9. Кудабаев Р.Б., Джумабаев А.А., Сулейменов У.С., Камбаров М.А., Риставлетов Р.А., Калшабекова Э.Н. Математическая модель теплообмена при фазовом переходе теплоаккумулирующего материала // Вестник Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Серия: Технические науки и технологии. 2022. № 2 (139). С. 102–110. doi: 10.32523/2616-7263-2022-139-2-102-110. EDN HMBBLS.
  10. Альбинская Ю.С., Усачев С.М., Ресснер Ф., Рудаков О.Б. Направления создания микрокапсулированных теплоаккумулирующих материалов с фазовым переходом // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного уни-верситета. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. 2013. № 7. С. 21–27. EDN RYFUET.
  11. Яковлева Ю.С., Бирюков А.Н. Моделирование физических характеристик теплоаккумулирующих строительных материалов // Омский научный вестник. 2023. № 2 (186). С. 97–104. doi: 10.25206/1813-8225-2023-186-97-104. EDN XKABVK.
  12. Борщев Н.О. Определение эффективной тепловой проводимости тепловых аккумуляторов методами параметрической идентификации // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2024. № 1 (766). С. 101–109. doi: 10.18698/0536-1044-2024-1-101-109. EDN MXDXAA.
  13. Цымбалюк Ю.В., Гераськин М.В. Основы расчета фазопереходных тепловых аккумуляторов для автономной системы теплоснабжения одноквартирных и блокированных жилых домов // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. 2014. № 4–2 (17). С. 71–75. EDN STCGLN.
  14. Boboev S.M., Eshmatov M.M., Aitmuratov B. Calculation and experimental study of water distributor of stratification heat accumulator of solar heating system // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2022. № 3 (88). С. 129–137.EDN MYELVA.
  15. Умеренкова Э.В., Умеренков Е.В., Бобрыше-ва Д.В. Использование тепловых аккумуляторов для системы теплоснабжения индивидуального жилого дома // Будущее науки – 2018 : сб. науч. ст. 6-й Междунар. мол. науч. конф. 2018. С. 374–377. EDN UOXVNC.
  16. Бабаев Б.Д., Мамаев Н.И. Определение тепловой нагрузки системы солнечного теплоснабжения с аккумулятором для жилого дома // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2003. № 2. С. 49–50. EDN HQVBIB.
  17. Султангузин И.А., Христенко Б.А., Чайкин В.Ю., Яцюк Т.В., Кругликов Д.А., Яворский Ю.В. и др. Разработка и исследование сезонного аккумулятора теплоты и холода для системы энергоснабжения здания // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2021. № 3 (231). С. 39–44. EDN PJQWXI.
  18. Сенцов И.В., Постникова П.И., Цыгвинцев И.В., Козлова К.С., Шкорко М.Ю., Журович Е.А. и др. Аккумулирование тепла в тепловом аккумуляторе для дежурного отопления индивидуального дома // Синергия наук. 2017. № 9. С. 353−365. EDN YHHYHF.
  19. Пральников Д.Ф., Ткаченко В.С., Ващенко Е.С. Вариант включения в систему теплопотребления многоэтажного жилого дома теплового аккумулятора // Наука молодых — будущее России : сб. науч. ст. 8-й Междунар. науч. конф. перспективных разработок молодых ученых. 2023. С. 138–141. EDN XEZWSE.
  20. Бабаев Б.Д. Разработка и исследование энергосистем на основе возобновляемых источников с фазопереходным аккумулированием тепла : дис. М., 2016. 345 с. EDN UMBMEB.
  21. Сотникова О.А., Турбин B.C., Григорьев В.А. Аккумуляторы теплоты теплогенерирующих установок систем теплоснабжения // АВОК. 2003. № 5.
  22. Melita L., Croitoru С. Aerogel, a high performance material for thermal insulation — a brief overview of the building applications // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 111. P. 06069. doi: 10.1051/e3sconf/201911106069
  23. Wei T.Y., Lu S.Y. Aerogels for energy saving and storage // Energy Efficiency and Renewable Energy Through Nanotechnology. 2011. Pp. 873–911. doi: 10.1007/978-0-85729-638-2_25
  24. Kong X., Nie R., Yuan J. A review of shape stabilized aerogel-based phase change materials for preparation, classification and applications // Energy and Built Environment. 2023. doi: 10.1016/j.enbenv.2023.11.001
  25. Wu L., Zhao B., Gao D., Jiao D., Hu M., Pei G. Solar transparent and thermally insulated silica aerogel for efficiency improvement of photovoltaic/thermal collectors // Carbon Neutrality. 2023. Vol. 2. Issue 1. doi: 10.1007/s43979-023-00046-8

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).