Прихована теплота солі дала близько 6% додаткової енергії

Дослідники Технічного університету Граца та компанії Emerald Horizon на лабораторній установці перевірили, чи можна отримати додаткову теплоту під час кристалізації розплавленої солі. За кристалізації близько 60% солі вдалося додатково відібрати приблизно 6% теплової енергії порівняно з відбором лише відчутної теплоти

866960Без-назви-3

Що досліджували

У традиційних системах теплоту переважно відбирають під час охолодження солі без її кристалізації (відчутна теплота). Автори перевірили можливість додатково використати приховану теплоту, що виділяється під час кристалізації, з тієї самої маси солі.

Статтю підготували Йоганнес і Крістоф Гохенауер з Інституту теплотехніки ТУ Граца та Маріо Мюллер з Emerald Horizon. Роботу виконано в межах проєкту CALstore за фінансування Австрійського агентства сприяння дослідженням (FFG).

Установка була лабораторною: бак довжиною 400 мм і внутрішнім діаметром 82,7 мм, у якому розміщено близько 2 кг солі та одну вертикальну U-подібну трубку теплообмінника. Сіль нагрівали приблизно до 550 °C за допомогою внутрішнього нагрівача, а розряджали, пропускаючи стиснене повітря крізь трубку.

Зображення Спрощена схема лабораторної установки (не в масштабі)

Рис. Спрощена схема лабораторної установки (не в масштабі). Сіль нагрівали внутрішнім нагрівачем до ≈550 °C, розряджали стисненим повітрям крізь U-подібну трубку. Товщину шару кристалізованої солі визначали CFD-моделлю, її не вимірювали. Схема: AW-Therm за описом установки в статті Hochenauer J., Müller M. J., Hochenauer C. // Energies. 2026. Vol. 19, No. 20, Art. 4840.

Показник	Значення
Склад солі	60% нітрату натрію (NaNO₃) і 40% нітрату калію (KNO₃) за масою
Маса солі	близько 2 кг
Початкова температура солі	близько 550 °C
Температура плавлення солі (за статтею)	222 °C
Кількість експериментів (за даними пресрелізу)	понад 40
Додаткове вилучення теплової енергії в рекомендованому режимі	близько 6%
Частка кристалізованої солі в рекомендованому режимі	близько 60%
Додаткове вилучення за повної кристалізації	близько 10%
Прийнята прихована теплота солі	161 кДж/кг (за 110 кДж/кг: близько 4% і 7% відповідно)

Додаткове вилучення подано порівняно з відбором лише відчутної теплоти, тобто без кристалізації.

Що вимірювали, а що розраховували

Вимірювали температури (20 термопар у солі, температури повітря на вході й виході), тепловий потік і енергетичний баланс. Розподіл твердої фази, частку кристалізованої солі й товщину шару кристалів безпосередньо не вимірювали. Їх визначали за допомогою тривимірної CFD-моделі, перевіреної за виміряними температурами. Енергетичний баланс моделі відрізнявся від експериментального на 0,9%.

Чому рекомендовано близько 60%

За повної кристалізації солі додаткове вилучення теплової енергії сягає близько 10%. Проте зі зростанням частки твердої солі навколо трубки наростає шар кристалів, який погіршує теплопередачу. За розрахунком, за кристалізації близько 60% шар має товщину 3-4 мм, а теплова потужність, що передається через теплообмінник, зменшується на 70-80% порівняно з початковою.

Зі збільшенням частки кристалізованої солі зростає додатковий відбір енергії, але знижується теплова потужність, з якою її можна відбирати. Тому автори називають 60% рекомендованою робочою межею для дослідженої конфігурації. За оцінкою компанії, результати допомагають визначити допустиму глибину розряджання CALstore за заданих вимог до теплової потужності.

Межі застосування результатів

Значення 6% отримано для лабораторної установки та досліджених режимів розряджання: витрата повітря в дослідах становила 0,0052-0,0091 кг/с, температура повітря на вході від 85 до 230 °C. Результат залежить від прийнятого значення прихованої теплоти. Автори використали 161 кДж/кг, а в інших джерелах наведено близько 100-110 кДж/кг. За 110 кДж/кг додатковий відбір зменшується приблизно до 4% (до 7% за повної кристалізації).

У лабораторній установці метал (бак і теплообмінник) становить близько 48% запасеної енергії, тому частка прихованої теплоти в модулі з іншим співвідношенням солі й металу може відрізнятися. Наведені значення характеризують додатковий відбір теплової енергії. Підвищення ККД повного циклу заряджання й розряджання дослідження не підтверджує. Отримані значення не можна використовувати як універсальні проєктні параметри.

Температура плавлення за статтею становить 222 °C, а плато кристалізації під час розряджання починалося близько 250 °C, тобто фазовий перехід суміші відбувається в інтервалі температур. Прихована теплота виділяється під час кристалізації солі. Можливість використання цієї теплоти залежить від температурного напору в теплообміннику та температурних вимог споживача, які мають бути нижчими за температуру кристалізації.

Що далі

Компанія планує використати результати в тепловому модулі системи DUALstore PLUS, яка поєднує батарею та високотемпературний накопичувач CALstore з температурою до 550 °C. Комерційну доступність цього модуля компанія заявила на 2028 рік.

Накопичення тепла для промисловості

Накопичення високотемпературного тепла може скоротити споживання викопного палива в промисловості. Такі системи можуть накопичувати тепло з електроенергії від відновлюваних джерел і віддавати його в технологічних процесах, зокрема для виробництва пари та покриття високотемпературних навантажень. Ефективність залежатиме від конструкції теплообмінника, температурного режиму та допустимої швидкості розряджання.

Часті запитання (FAQ) про сольові теплові акумулятори

Який склад і масу сольової суміші використовували під час дослідження сольового теплового акумулятора?

У лабораторній установці використовували близько 2 кг сольової суміші, яка складалася з 60% нітрату натрію (NaNO₃) і 40% нітрату калію (KNO₃) за масою. Сіль нагрівали приблизно до 550 °C за допомогою внутрішнього нагрівача, а її температура плавлення за даними дослідження становить 222 °C.

Скільки додаткової теплової енергії дає часткова та повна кристалізація розплавленої солі?

За кристалізації близько 60% солі в рекомендованому робочому режимі вдалося додатково відібрати близько 6% теплової енергії порівняно з відбором лише відчутної теплоти. У разі досягнення повної кристалізації солі додаткове вилучення теплової енергії сягає близько 10%.

Чому 60% кристалізації солі визначено як рекомендовану робочу межу розряджання?

При кристалізації близько 60% солі товщина шару кристалів навколо U-подібної трубки сягає 3–4 мм, що зменшує передавану теплову потужність на 70–80% порівняно з початковою. Подальше наростання твердої фази суттєво погіршує теплопередачу та знижує швидкість відбору енергії.

Як визначали товщину шару кристалізованої солі та розподіл твердої фази в баку?

Розподіл твердої фази та товщину шару кристалів безпосередньо не вимірювали, а розраховували за допомогою тривимірної CFD-моделі. Точність моделі перевіряли за даними 20 термопар у солі, при цьому розходження енергетичного балансу між моделлю та експериментом склало 0,9%.

У якій комерційній системі планується використати результати цього дослідження?

Компанія Emerald Horizon планує застосувати отримані дані в тепловому модулі системи DUALstore PLUS, яка поєднує акумуляторну батарею та високотемпературний накопичувач CALstore з робочою температурою до 550 °C. Заявлений термін початку комерційної доступності цього модуля – 2028 рік.