probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2024-26-6-166-179probener-3232Research ArticleТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ТЕПЛОТЕХНИКАTHEORETICAL AND APPLIED HEAT ENGINEERINGАлгоритм расчета многослойной системы теплоизоляции теплового накопителя энергии с высокотемпературным рабочим теломCalculation algorithm for a multilayer thermal insulation system of a thermal energy storage device with a high-temperature working fluidhttps://orcid.org/0009-0004-3180-5933ЧадаевА. Н.ChadaevA. N.

 Чадаев Алексей Николаевич – аспирант 

 г. Казань 

 Aleksey N. Chadaev 

 Kazan 

ac312@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8979-4457ДмитриевА. В.DmitrievA. V.

Дмитриев Андрей Владимирович – д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Автоматизация технологических процессов и производств» (АТПП) 

 г. Казань 

 Andrey V. Dmitriev 

 Kazan 

ieremiada@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-1380-4433ЗинуровВ. Э.ZinurovV. E.

Зинуров Вадим Эдуардович – канд. техн. наук, и.о. зав. кафедрой «Инженерная графика» (ИГ) 

 г. Казань 

 Vadim E. Zinurov 

 Kazan 

vadd_93@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0008-2914-6923МугиновА. М.MuginovA. M.

 Мугинов Арслан Маратович – студент 

 г. Казань 

 Arslan M. Muginov  

 Kazan 

aqwewerr@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8979-4457ПавловГ. И.PavlovG. I.

Павлов Григорий Иванович – д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Специальные технологии в образовании»  

 г. Казань 

 Grigory I. Pavlov 

 Kazan 

pavlov16@mail.ruКазанский национальный исследовательский технологический университетРоссияKazan National Research Technological UniversityRussian FederationКазанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian FederationКазанский национальный исследовательский технический университетРоссияKazan National Research Technical UniversityRussian Federation202413012025266166179Copyright © Чадаев А.Н., Дмитриев А.В., Зинуров В.Э., Мугинов А.М., Павлов Г.И., 20242024Чадаев А.Н., Дмитриев А.В., Зинуров В.Э., Мугинов А.М., Павлов Г.И.Chadaev A.N., Dmitriev A.V., Zinurov V.E., Muginov A.M., Pavlov G.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/3232

АКТУАЛЬНОСТЬ. Управление избытком и дефицитом выработки электрической энергии, способствующее стабилизации энергетической системы и повышению ее надежности, является актуальной задачей. Одним из решений является разработка и внедрение тепловых накопителей энергии в системы распределенной энергетики. Важной задачей при их разработке является создание эффективной системы теплоизоляции. ЦЕЛЬ. Разработка алгоритма для эффективного проектирования системы теплоизоляции тепловых накопителей энергии с высокотемпературным рабочим телом. МЕТОДЫ. Исследования проводятся с использованием теоретических методов, включая теплотехнический расчет слоев теплоизоляции и анализ теплопроводности. Использованы методы математического моделирования для определения толщины системы теплоизоляции теплового накопителя энергии. РЕЗУЛЬТАТЫ. Разработана конструкция теплового накопителя энергии. На основе разработанного алгоритма определено, что толщина системы теплоизоляции должна составлять 151 мм (толщина первого теплоизоляционного контура – 135 мм, толщина второго теплоизоляционного слоя из минеральной ваты – 16 мм), обеспечивая минимальные теплопотери при температуре теплоаккумулятора равной 2000 °C. Выявлено, что в слоях, ближайших к графиту, преобладает лучистый тепловой поток, составляющий около 70% от общего потока. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Исследование подтвердило эффективность предложенной многослойной системы теплоизоляции для теплового накопителя энергии. Разработанный алгоритм позволяет проводить расчёт систем теплоизоляции теплового накопителя энергии, который учитывает различные параметры и условия эксплуатации.

RELEVANCE. Managing the surplus and deficit of electric power generation, which contributes to the stabilization of the energy system and enhances its reliability, is a pressing issue. One of the solutions is the development and implementation of thermal energy storage systems within distributed energy systems. An important task in their development is creating an effective insulation system. THE PURPOSE. To develop an algorithm for the effective design of insulation systems for thermal energy storages with high-temperature working bodies. METHODS. The research is carried out using theoretical methods, including thermal engineering calculation of thermal insulation layers and thermal conductivity analysis. Mathematical modeling methods were used to determine the thickness of the thermal insulation system of a thermal energy storage device. RESULTS. The design of a thermal energy storage device has been developed. Based on the developed algorithm, it was determined that the thickness of the thermal insulation system should be 151 mm (the thickness of the first thermal insulation circuit is 135 mm, the thickness of the second thermal insulation layer made of mineral wool is 16 mm), ensuring minimal heat loss at a temperature of the heat accumulator equal to 2000 °C. It was revealed that the radiant heat flux prevails in the layers closest to graphite, accounting for about 70% of the total flux. CONCLUSION. The study confirmed the effectiveness of the proposed multi-layer insulation system for thermal energy storage. The developed algorithm allows for the calculation of insulation systems of thermal energy storage, taking into account various parameters and operating conditions.

тепловой накопитель энергиисистема теплоизоляциисистема распределенной энергетикитеплоаккумулятораккумулятор энергииthermal energy storageInsulation systemdistributed energy systemheat accumulatorenergy storageработа выполнена за счет гранта Российского научного фонда № 24- 29-20061.the study was carried out with the financial support of the grant of the Russian Science Foundation No. 24-29-20061.ReferencesPimm, A.J., Palczewski, J., Barbour, E.R. et. al. Using electricity storage to reduce greenhouse gas emissions. Applied Energy. 2021; 282:116199. doi: 10.1016/j.apenergy.2020.116199.Pimm, A.J., Palczewski, J., Barbour, E.R. et. al. Using electricity storage to reduce greenhouse gas emissions. Applied Energy. 2021; 282:116199. doi: 10.1016/j.apenergy.2020.116199.Alva G., Lin Y., Fang G. An overview of thermal energy storage systems. Energy. 2018;144:341- 378. doi: 10.1016/j.energy.2017.12.037Alva G., Lin Y., Fang G. An overview of thermal energy storage systems. Energy. 2018;144:341- 378. doi: 10.1016/j.energy.2017.12.037Zinurov V., Nikandrova M., Kharkov V. Assessment of thermal storage technologies in energy sector. 2020 Ural Smart Energy Conference. 2020. pp. 68-71. doi: 10.1109/USEC50097.2020.9281236 4. Baker J. New technology and possible advances in energy storage. Energy Policy. 2008;36(12):4368-4373. doi: 10.1016/j.enpol.2008.09.040.Zinurov V., Nikandrova M., Kharkov V. Assessment of thermal storage technologies in energy sector. 2020 Ural Smart Energy Conference. 2020. pp. 68-71. doi: 10.1109/USEC50097.2020.9281236Mahmoud, M., Ramadan, M., Olabi, A.G. et. al. A review of mechanical energy storage systems combined with wind and solar applications. Energy Conversion and Management. 2020;210:112670. doi: 10.1016/j.enconman.2020.112670.Baker J. New technology and possible advances in energy storage. Energy Policy. 2008;36(12):4368-4373. doi: 10.1016/j.enpol.2008.09.040.Soloveichik G. L. Battery technologies for large-scale stationary energy storage. Annual review of chemical and biomolecular engineering. 2011;2:503-527. doi: 10.1146/annurev-chembioeng-061010-114116.Mahmoud, M., Ramadan, M., Olabi, A.G. et. al. A review of mechanical energy storage systems combined with wind and solar applications. Energy Conversion and Management. 2020;210:112670. doi: 10.1016/j.enconman.2020.112670.Morandi, A., Breschi, M., Ribani, P., et. al. Superconducting magnetic energy storage. Energy Storage for Power Systems. 2020. doi: 10.1049/pbpo063e_ch11.Soloveichik G. L. Battery technologies for large-scale stationary energy storage. Annual review of chemical and biomolecular engineering. 2011;2:503-527. doi: 10.1146/annurev-chembioeng-061010-114116.Yuan K., Shi, J., Aftab, W., et. al. Engineering the thermal conductivity of functional phase‐change materials for heat energy conversion, storage, and utilization. Advanced Functional Materials. 2020;30(8):1904228. doi: 10.1002/adfm.201904228.Morandi, A., Breschi, M., Ribani, P., et. al. Superconducting magnetic energy storage. Energy Storage for Power Systems. 2020. doi: 10.1049/pbpo063e_ch11.Han G. G. D., Li H., Grossman J. C. Optically-controlled long-term storage and release of thermal energy in phase-change materials. Nature communications. 2017;8(1):1446. doi: 10.1038/s41467-017-01608- y.Yuan K., Shi, J., Aftab, W., et. al. Engineering the thermal conductivity of functional phase‐change materials for heat energy conversion, storage, and utilization. Advanced Functional Materials. 2020;30(8):1904228. doi: 10.1002/adfm.201904228.Jamekhorshid A., Sadrameli S. M., Farid M. A review of microencapsulation methods of phase change materials (PCMs) as a thermal energy storage (TES) medium. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;31:531-542. doi: 10.1016/j.rser.2013.12.033.Han G. G. D., Li H., Grossman J. C. Optically-controlled long-term storage and release of thermal energy in phase-change materials. Nature communications. 2017;8(1):1446. doi: 10.1038/s41467-017-01608- y.Pielichowska K., Pielichowski K. Phase change materials for thermal energy storage. Progress in materials science. 2014;65:67-123. doi: 10.1016/J.PMATSCI.2014.03.005.Jamekhorshid A., Sadrameli S. M., Farid M. A review of microencapsulation methods of phase change materials (PCMs) as a thermal energy storage (TES) medium. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;31:531-542. doi: 10.1016/j.rser.2013.12.033.Acem Z., Lopez J., Del Barrio E. P. KNO3/NaNO3 – Graphite materials for thermal energy storage at high temperature: Part I.–Elaboration methods and thermal properties. Applied thermal engineering. 2010;30(13):1580-1585. doi: 10.1016/J.APPLTHERMALENG.2010.03.013.Pielichowska K., Pielichowski K. Phase change materials for thermal energy storage. Progress in materials science. 2014;65:67-123. doi: 10.1016/J.PMATSCI.2014.03.005.Badenhorst H. A review of the application of carbon materials in solar thermal energy storage. Solar Energy. 2019;192:35-68. doi: 10.1016/J.SOLENER.2018.01.062.Acem Z., Lopez J., Del Barrio E. P. KNO3/NaNO3 – Graphite materials for thermal energy storage at high temperature: Part I.–Elaboration methods and thermal properties. Applied thermal engineering. 2010;30(13):1580-1585. doi: 10.1016/J.APPLTHERMALENG.2010.03.013.Pacio J., Wetzel T. Assessment of liquid metal technology status and research paths for their use as efficient heat transfer fluids in solar central receiver systems. Solar Energy. 2013;93:11-22. doi: 10.1016/J.SOLENER.2013.03.025.Badenhorst H. A review of the application of carbon materials in solar thermal energy storage. Solar Energy. 2019;192:35-68. doi: 10.1016/J.SOLENER.2018.01.062.Niedermeier, K., Mueller-Trefzer, F. Theoretical and experimental studies of dual-media thermal energy storage with liquid metal. In: Daubner, M., Marocco, L., Weisenburger, A. et. al. editors. AIP Conference Proceedings. Solarpaces 2020: 26th International Conference on Concentrating Solar Power and Chemical Energy Systems; 28 September – 2 October 2020; Freiburg, Germany. AIP Conf. Proc. 2022;2445(1): 160011.Pacio J., Wetzel T. Assessment of liquid metal technology status and research paths for their use as efficient heat transfer fluids in solar central receiver systems. Solar Energy. 2013;93:11-22. doi: 10.1016/J.SOLENER.2013.03.025.Zhang, H., Baeyens, J., Cáceres, G. et. al. Thermal energy storage: Recent developments and practical aspects. Progress in Energy and Combustion Science. 2016;53:1-40. doi: 10.1016/j.pecs.2015.10.003.Niedermeier, K., Mueller-Trefzer, F. Theoretical and experimental studies of dual-media thermal energy storage with liquid metal. In: Daubner, M., Marocco, L., Weisenburger, A. et. al. editors. AIP Conference Proceedings. Solarpaces 2020: 26th International Conference on Concentrating Solar Power and Chemical Energy Systems; 28 September – 2 October 2020; Freiburg, Germany. AIP Conf. Proc. 2022;2445(1): 160011.Cuce, E., Cuce, P. M., Wood, C. J. et. al. Toward aerogel based thermal superinsulation in buildings: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;34:273-299. doi: 10.1016/j.rser.2014.03.017.Zhang, H., Baeyens, J., Cáceres, G. et. al. Thermal energy storage: Recent developments and practical aspects. Progress in Energy and Combustion Science. 2016;53:1-40. doi: 10.1016/j.pecs.2015.10.003. 17. Cuce, E., Cuce, P. M., Wood, C. J. et. al. Toward aerogel based thermal superinsulation in buildings: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;34:273-299. doi: 10.1016/j.rser.2014.03.017.Hu, P., Liu, L., Zhao, M. Design, synthesis, and use of high temperature resistant aerogels exceeding 800 ºC. ES Materials & Manufacturing. 2021;15:14-33. doi: 10.30919/esmm5f459.Hu, P., Liu, L., Zhao, M. Design, synthesis, and use of high temperature resistant aerogels exceeding 800 ºC. ES Materials & Manufacturing. 2021;15:14-33. doi: 10.30919/esmm5f459.Tychanicz-Kwiecień, M., Wilk, J., Gil, P. Review of high-temperature thermal insulation materials. Journal of Thermophysics and heat transfer. 2019;33(1):271-284. doi: 10.2514/1.T5420.Tychanicz-Kwiecień, M., Wilk, J., Gil, P. Review of high-temperature thermal insulation materials. Journal of Thermophysics and heat transfer. 2019;33(1):271-284. doi: 10.2514/1.T5420.Соловьева О.В., Соловьев С.А., Шакурова Р.З. Обзор современных керамических ячеистых материалов и композитов, применяемых в теплотехнике. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2023;25(1):82-104. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2023-25-1-82-104Soloveva O. V., Solovev S.A., Shakurova R.Z. Review of modern ceramic cellular materials and composites used in heat engineering. Power Eng. Res. equipment, Technol. 2023;25(1):82-104. (In Russ.) https://doi.org/10.30724/1998-9903-2023-25-1-82-104

The authors declare that there are no conflicts of interest present.