Теплоаккумулятор на фазовом переходе

Изобретение относится к теплотехнике, предназначено для аккумулирования и утилизации низкопотенциального тепла жидкостей или газов, которые нельзя хранить и/или накапливать в больших объемах без специального оборудования, например едкие агрессивные вещества, дымовые газы от химических производств и т.п., и может быть использовано для отопления зданий. Тепловой аккумулятор фазового перехода содержит цилиндрический корпус со сферическим днищем, блок вертикальных трубчатых капсул, заполненных теплоаккумулирующим веществом, претерпевающим в интервале рабочих температур фазовое превращение, подводящий и отводящий патрубки. В отличие от прототипа он дополнительно снабжен перегородкой, разделяющей корпус на изолированные камеры, испарителем теплового насоса, расположенным в верхней камере вблизи блока капсул, двумя трубчатыми элементами с отверстиями на поверхности для подачи воздуха, один выполнен в форме змеевика, охватывающего ряды капсул и установленного на перегородке в верхней камере, другой выполнен в форме спирали и установлен на днище корпуса в нижней камере, блок капсул закреплен на поперечной перегородке таким образом, что в нижней камере расположен их испарительный участок, а в верхней -конденсационный участок, отводящий патрубок расположен в днище на продольной оси корпуса, а подводящий патрубок — в нижней камере тангенциально корпусу, верхняя камера заполнена теплоаккумулирующей средой, претерпевающей в интервале рабочих температур фазовое превращение, например концентрированный раствор соли. Задачей изобретения является повышение эффективности, надежности и непрерывность работы устройства. 3 ил.

Известен тепловой аккумулятор фазового перехода по патенту России №2187049, F 24 H 7/00, содержащий цилиндрический корпус, состоящий из одной камеры, блок горизонтально расположенных капсул, заполненных теплоаккумулирующим веществом, претерпевающим в интервале рабочих температур фазовое превращение, подводящий и отводящий патрубки. Капсулы выполнены из коаксиально расположенных цилиндров.

Подводящий патрубок расположен на продольной оси корпуса, а отводящий смещен относительно этой оси.

Такое расположение патрубков не обеспечивает закручивания входящей и выходящей сред, в результате чего образуются застойные зоны в нижней части корпуса. При пропускании загрязненной теплоотдающей среды пространство между блоком капсул забивается грязью, что снижает надежность устройства.

Отсутствие средств принудительного перемешивания поступающей среды снижает теплообмен и эффективность работы устройства.

Невозможно передать тепло от загрязненной среды к чистой без загрязнения последней при однокамерном корпусе из-за непосредственного контакта теплоотдающей и теплоаккумулирующей сред с одним и тем же участком аккумулирующих капсул. Это снижает эффективность работы устройства.

Кроме того, невозможно использовать низко потенциальное тепло из-за отсутствия в конструкции испарителя теплового насоса.

Известен также аккумулятор теплоты по патенту России № 2145404, F24H 7/00, принятый за прототип и содержащий цилиндрический корпус со сферическим днищем, состоящий из одной камеры, блок вертикальных трубчатых капсул, заполненных теплоаккумулирующим веществом, претерпевающим в интервале рабочих температур фазовое превращение, подводящий и отводящий патрубки. Подводящий патрубок расположен на продольной оси корпуса, а отводящий — смещен относительно этой оси.

Недостатком является также периодичность в работе устройства, т.к. поступление теплоотдающей и теплоаккумулирующей сред происходит в разное время (поочередно) из-за отсутствия дополнительной камеры. Кроме того, невозможно использовать низкопотенциальное тепло из-за отсутствия в конструкции испарителя теплового насоса.

Задачей изобретения является повышение эффективности, надежности и непрерывность работы устройства.

Тепловой аккумулятор фазового перехода содержит цилиндрический корпус со сферическим днищем, блок вертикальных трубчатых капсул, заполненных теплоаккумулирующим веществом, претерпевающим в интервале рабочих температур фазовое превращение, подводящий и отводящий патрубки.

В отличие от прототипа он дополнительно снабжен перегородкой, разделяющей корпус на изолированные камеры, испарителем теплового насоса, расположенным в верхней камере вблизи блока капсул, двумя трубчатыми элементами с отверстиями на поверхности для подачи воздуха, один — выполнен в форме змеевика, охватывающего ряды капсул и установленного на перегородке в верхней камере, другой выполнен в форме спирали и установлен на днище корпуса в нижней камере, блок капсул закреплен на поперечной перегородке таким образом, что в нижней камере расположен их испарительный участок, а в верхней — конденсационный участок, отводящий патрубок расположен в днище на продольной оси корпуса, а подводящий патрубок — в нижней камере тангенциально корпусу, верхняя камера заполнена теплоаккумулирующей средой, претерпевающей в интервале рабочих температур фазовое превращение, например концентрированный раствор соли.

Снабжение устройства перегородкой позволяет разделить корпус на две изолированные камеры, обеспечив разделение теплоотдающей и теплоаккумулирующей сред. В результате происходит постоянный процесс теплообмена одновременно в обеих камерах.

Установка блока капсул таким образом, что в нижней камере расположен их испарительный участок, а в верхней — конденсационный, обеспечивает непрерывность процесса теплообмена между теплоотдающей средой и потребителем (через тепловой насос).

Размещение теплового насоса в верхней камере — камере конденсации вблизи блока капсул обеспечивает равномерный отвод тепла к потребителю, что повышает эффективность работы теплового насоса и всего устройства.

Выполнение трубчатого элемента на днище корпуса спиральным, расположение подводящего патрубка тангенциально корпусу, а отводящего патрубка — на продольной оси корпуса в днище и сама сферическая форма днища способствуют закручиванию теплоносителя по спирали. Это, в свою очередь, способствует увеличению скорости теплоносителя в нижней камере и интенсивному равномерному омыванию блока капсул даже при малой скорости теплоносителя, что повышает эффективность теплообмена, а также эффективность работы теплового насоса и устройства в целом.

Кроме того, эффект принудительного закручивания теплоносителя в нижней камере исключает образование застойных зон и обеспечивает надежное отделение твердой взвеси, находящейся в теплоносителе (к центру днища и удаление ее через отводящий патрубок), что повышает надежность устройства.

Выполнение трубчатого элемента в форме змеевика просто в изготовлении и позволяет удобно расположить его между рядами капсул для возможности равномерной подачи воздуха по всему объему верхней камеры.

Отверстия на поверхности обоих трубчатых элементов позволяют подать в них воздух, обеспечивающий принудительное перемешивание среды (барботаж) по всему объему каждой камеры. Это ускоряет процесс теплообмена между блоком капсул и средой, а в нижней камере способствует дополнительному закручиванию среды из-за спиральной формы трубчатого элемента. Все это увеличивает скорость движения среды, что повышает коэффициент теплопередачи и эффективность работы устройства.

Использование концентрированного раствора соли в качестве теплоаккумулирующей среды позволяет, не увеличивая габаритов устройства, накапливать большой объем тепловой энергии в относительно малом объеме раствора соли из-за скрытой теплоты фазового перехода соли из кристаллов в раствор, что необходимо для обеспечения эффективной работы насоса, т.е. для передачи тепла потребителю даже при низких температурах раствора соли.

Таким образом, все заявляемые признаки являются существенными и решают поставленную задачу.

Заявляемое устройство представлено на чертежах:

фиг.1 — тепловой аккумулятор фазового перехода, общий вид;

фиг.2 — разрез А-А на фиг.1;

фиг.3 — тепловой аккумулятор фазового перехода, изометрия.

Тепловой аккумулятор фазового перехода (фиг.1,3) содержит корпус, состоящий из двух частей: верхняя выполнена в форме параллелепипеда 1, нижняя в форме цилиндра 2, разделенные между собой поперечной перегородкой 3 на две камеры — соответственно верхнюю 4 и нижнюю 5; блок вертикальных трубчатых капсул 6, заполненных теплоаккумулирующим веществом, претерпевающим в интервале рабочих температур фазовое превращение; подводящий 7 и отводящий 8 патрубки, расположенные в нижней камере 5; испаритель теплового насоса 9; трубчатый элемент 10, выполненный в форме змеевика и установленный на перегородке 3 в верхней камере 4; трубчатый элемент 11 (фиг.2), выполненный в форме спирали и установленный на сферическом днище корпуса 12 в нижней камере 5. Трубчатые элементы 10 и 11 выполнены с отверстиями на поверхности для подачи воздуха. Верхняя камера 4 заполнена концентрированным раствором соли. Подводящий патрубок 7 расположен тангенциально корпусу 2. Отводящий патрубок 8 расположен в днище 12 на продольной оси корпуса.

Устройство работает следующим образом.

Через подводящий патрубок 7 в нижнюю камеру 5 поступает теплоотдающая среда (теплоноситель), который закручиваясь по спирали, ускоряет свое движение и равномерно омывает испарительный участок блока капсул 6 (фиг.1,2). Одновременно с этим через отверстия в трубчатом элементе 11 подают воздух. Происходит интенсивное и равномерное перемешивание среды (барботаж). Жидкость в блоке капсул 6 начинает интенсивно кипеть и испаряться, поднимаясь в их верхнюю конденсационную часть, расположенную в верхней камере 4, где конденсируется, отдавая тепло раствору соли и накапливаясь там. Для равномерного перемешивания среды в верхнюю камеру 4 подают воздух через отверстия в трубчатом элементе 10. В результате раствор соли равномерно омывает конденсационный участок блока капсул 6 и испаритель теплового насоса 9, передавая последнему тепло. Затем через тепловой насос (не показано) тепло поступает к потребителю.

Отдавший свое тепло, охлажденный теплоноситель выходит наружу через отводящий патрубок 8, закручиваясь при этом по спирали и образуя в центре днища 12 воронку, в которую затягивается с ускорением твердая взвесь.

Таким образом, процесс теплообмена непрерывно происходит в обеих камерах: в нижней камере 5 — отдача тепла, в верхней камере 4 — прием и накопление тепла.

1. Тепловой аккумулятор фазового перехода, содержащий цилиндрический корпус со сферическим днищем, блок вертикальных трубчатых капсул, заполненных теплоаккумулирующим веществом, претерпевающим в интервале рабочих температур фазовое превращение, подводящий и отводящий патрубки, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен перегородкой, разделяющей корпус на изолированные камеры, испарителем теплового насоса, расположенным в верхней камере вблизи блока капсул, двумя трубчатыми элементами с отверстиями на поверхности для подачи воздуха, один выполнен в форме змеевика, охватывающего ряды капсул и установленного на перегородке в верхней камере, другой выполнен в форме спирали и установлен на днище корпуса в нижней камере, блок капсул закреплен на поперечной перегородке таким образом, что в нижней камере расположен их испарительный участок, а в верхней — конденсационный участок, отводящий патрубок расположен в днище на продольной оси корпуса, а подводящий патрубок — в нижней камере тангенциально корпусу, верхняя камера заполнена теплоаккумулирующей средой, претерпевающей в интервале рабочих температур фазовое превращение.

2. Тепловой аккумулятор фазового перехода по п.1, отличающийся тем, что в качестве теплоаккумулирующей среды, заполняющей верхнюю камеру, используют концентрированный раствор соли.

В фазовых аккумуляторах накопление энергии происходит в результате плавления и затвердевания, испарения и конденсации ТАМ, сопровождающихся поглощением и выделением скрытой теплоты. По сравнению с аккумуляторами явной энергии фазовые аккумуляторы имеют меньшие объемы.

В фазовых аккумуляторах теплоты в качестве ТАМ используются гидраты солей или органические вещества (табл. 5.1). Теплоаккумулирующие материалы должны соответствовать следующим требованиям:

? иметь высокую аккумулирующую способность;
? быть химически стабильными и иметь низкую коррозионную активность;
? обладать способностью быстрого возвращения к начальному фазовому состоянию;
? иметь высокую теплопроводность и теплоемкость;
? иметь небольшие изменения объема при фазовом переходе;
? быть безопасными для людей, животных, растений.

Конструирование аккумуляторов связано с трудностями организации передачи теплоты от периферии ТАМ к его средним слоям, и наоборот, от средних слоев к периферии. Для интенсификации процессов переноса ТАМ их размещают на горизонтальных пластинах трубчатых теплообменников или заполняют ими шарообразные капсулы и плоские контейнеры, размещаемые в аккумуляторах.

Характеристики теплоаккумулирующих веществ

Химическая формула ТАМ

Температура плавления, °С

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м • °С)

Окончание табл. 5.1

Химическая формула ТАМ

Температура плавления, °С

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м • °С)

При использовании теплоты плавления ТАМ обеспечиваются высокая плотность запасаемой энергии, небольшие перепады температур и стабильная температура на выходе из теплового аккумулятора. В настоящее время известен достаточно широкий спектр веществ, обеспечивающих температуру аккумуляции от 0 до 1000 °С. Широкое применение тепловых аккумуляторов с плавящимся ТАМ сдерживается прежде всего требованиями экономичности создаваемых установок.

При небольших рабочих температурах (до 100 °С) рекомендуется применение кристаллогидратов неорганических солей, что связано в первую очередь с использованием в качестве ТАМ природных веществ. Использование же органических веществ снимает вопросы коррозионного разрушения корпуса аккумуляторов, обеспечивает высокие плотности запасаемой энергии и достаточно хорошие технико-экономические показатели. Однако в процессе работы теплового аккумулятора с органическими ТАМ происходит снижение теплоты плавления при периодических процессах зарядки и разрядки вследствие разрушения протяженных цепочек молекул полимеров. Из-за низкого коэффициента теплопроводности органических ТАМ требуется создание и применение развитых поверхностей теплообмена аккумуляторов.

На рис. 5.8 показан аккумулятор теплоты, в котором для зарядки и разрядки используется нагретый и холодный воздух, а на рис. 5.9 — водяной аккумулятор [8].

Рис. 5.8. Теплоаккумулирующий блок с 2400 кг СаС1₂ 6Н₂0 (/ф = 29 °С) в полиэтиленовых цилиндрах для системы отопления

Расположение ТАМ в межтрубном или трубном пространстве теплообменника обеспечивает рациональное использование внутреннего объема теплового аккумулятора и применение традиционных технологий изготовления теплообменных аппаратов. Однако при такой конструкции затруднено обеспечение свободного расширения ТАМ, вследствие чего понижена надежность аккумулятора в целом.

Аккумуляторы фазового перехода (АФП) применяются в системах вентиляции и кондиционирования воздуха для экономии дорогостоящего искусственного холода.

Распространенной конструкцией аккумулятора холода является емкость с герметичными контейнерами, заполненными аккумулирующим материалом, между которыми циркулирует теплоноситель.

Рис. 5.9. Агрегат CALM АС для аккумулирования теплоты фазового перехода с использованием в качестве ТАМ Na₂S₂₃ • 5Н₂0 или MgCl₂ • 6Н₂0:

1 — съемная крышка; 2 — двигатель для перемешивания; 3 — гидрат соли; 4 — пластиковый теплообменник; 5 — бак

Варианты конструкций аккумуляторов различаются в основном формой контейнеров. Наиболее распространены контейнеры в форме пластин и продольно омываемых цилиндров. В качестве материала оболочки контейнера используется металл, пластмасса, стекло, полиэтиленовая пленка и пр.

Общедоступным косвенным источником холода в летний период может служить ночная электроэнергия в часы «провала» графика электронагрузки. Эту электроэнергию можно использовать для работы холодильных машин, холод которых следует аккумулировать и использовать для работы кондиционеров в дневное время. Принципиальная схема аккумулятора приведена на рис. 5.10.

В корпусе размешены блоки решетчатых стеллажей, на которых уложены герметичные полиэтиленовые пакеты с ТАМ. Толщина контейнеров по ходу воздуха уменьшается от блока к блоку. Таким образом, к моменту окончания каждого фазового перехода АФП вещество изменит свое агрегатное состояние по всему объему устройства.

Наиболее ответственная задача — подбор ТАМ. Одним из вариантов является следующий состав: мирабилит Na₂S0₄ • ЮН₂0 — 64,1 %, калийная селитра KN0₃ — 19,23, портландцемент — 13,02,

Рис. 5.10. Схема установки аккумулятора фазового перехода в системах вентиляции и кондиционирования воздуха: а — принципиальная схема установки; б — схема аккумулятора фазового перехода; 1 — аккумулятор фазового перехода; 2 — кондиционер; 3 — корпус; 4 — стеллажи; 5 — контейнеры с ТАМ

вода — 3,64 %. В качестве кристаллообразующей добавки используется Na₂B₄₇ ? 10Н₂О. Физические свойства аккумулирующего материала приведены в табл. 5.2.

В настоящее время одной из важнейших задач современной энергетики является задача аккумулирования тепловой энергии, обусловленная как неэффективным использованием тепловой энергии в период недогрузки энергосистем, так и развитием гелиоэнергетики [1, 2]. Последнее имеет особое значение, ввиду существующей тенденции к повышению цен на энергоресурсы [3], а также отсутствия или значительного износа сетей централизованного энергоснабжения [4].

Возможность аккумулирования тепловой энергии основана на использовании физического или химического процесса, связанного с поглощением и выделением теплоты. К основным типам процессов относятся накопление-выделение внутренней энергии при нагреве-охлаждении твердых или жидких тел, фазовые переходы с поглощением-выделением скрытой теплоты, процесс сорбции-десорбции или обратимая химическая реакция, протекающая с выделением-поглощением тепла. Вышеприведенные процессы реализуются в специальных устройствах — аккумуляторах теплоты.

К числу перспективных и наиболее интенсивно разрабатываемых в настоящее время способов аккумулирования тепловой энергии относится тепловое аккумулирование на основе фазовых переходов различных материалов [5]. Эффективность этого способа обусловлена тем, что для многих веществ значение энтальпии фазового перехода значительно выше теплосодержания за счет теплоемкости.

Таким образом, разработка новых технических решений в области тепловых аккумуляторов на основе фазового перехода различных веществ является актуальной задачей, решение которой позволит снизить энергозатраты за счет использования альтернативных источников энергии, а также повысить эффективность работы имеющегося энергетического оборудования.

Объект исследования: система теплоснабжения хозяйственных объектов;

Предмет исследования: теплоаккумулирующая подсистема;

Цель: разработка конструкции теплового аккумулятора со шнековым теплообменником, предназначенного для обеспечения потребности систем теплоснабжения хозяйственных объектов в аккумулировании тепловой энергии; аккумулирование тепловой энергия шнековый

-разработка принципиальной схемы устройства для аккумулирования тепловой энергии со шнековым теплообменником;
-разработка конструкции теплоаккумулятора на основе фазового перехода со шнековым теплообменником.

Исходя из специфики функционирования тепловых аккумуляторов на основе фазового перехода различных веществ, необходимо выделить ряд технических требований к конструкции теплоаккумулятора с шнековым теплообменником, а именно:

-двухфазный тепловой аккумулятор со шнековым теплообменником должен изготавливаться из материалов, обладающих повышенной стойкостью к коррозионным составляющим теплоаккумулирующего вещества;
-в двухфазном тепловом аккумуляторе со шнековым теплообменником должен происходить процесс сохранения тепловой энергии, транспорта теплоаккумулирующего вещества и передачи накопленной теплоты при помощи шнекового транспортера, одновременно выполняющего функцию теплообменника;
-баки, содержащие теплоаккумулирующее вещество должны иметь теплоизоляцию.

Наиболее распространенными принципами построения тепловых аккумуляторов являются:

-тепловое аккумулирование энергии твердыми и жидкими телами за счет изменения температуры вещества;
-тепловое аккумулирование энергии посредством использования теплоты фазового перехода;
-термохимическое аккумулирование тепловой энергии [6, 7];

Теплоемкостная аккумуляция основана на способности веществ накапливать тепловую энергию при нагревании. При этом количество аккумулированной энергии зависит от температуры, на которую нагревается теплоаккумулирующий материал, и его удельной теплоемкости. Этот способ является наиболее простым и давно применяется, например, при отоплении печами, которые выполняются достаточно массивными и накапливают во время нагрева тепло, которое затем постепенно расходуется на обогрев помещения. С точки зрения величины удельной теплоемкости, т.е. способности аккумулировать теплоту в расчете на 1 кг массы, одним из самых хороших является вода. Нагретая вода также может быть использована для горячего водоснабжения. Однако использование в качестве аккумулятора теплоты жидкости — воды сталкивается с множеством трудностей. Во-первых, емкости для накопления воды должны иметь значительный объем; во-вторых, возникают трудности с использованием перегретой воды свыше 100 , что ограничивает рамки смешивания теплоносителя и воды в аккумуляторе [8]; в-третьих, постоянное изменение параметров аккумулятора в период отбора теплоты (снижается температура термоаккумулирующего материала).

Другим способом является аккумулирование тепловой энергии, основанное на использовании обратимого процесса фазового перехода плавление-затвердевание. В этом случае в качестве теплоаккумулирующего материала используется фазоменяющий материал. Реализация этого способа оказывается более сложной, из-за необходимости усложнения конструкции. Однако в таких тепловых аккумуляторах на единицу объема запасается гораздо большее количество теплоты. При этом процесс зарядки и разрядки может быть осуществлен в узком температурном диапазоне, что оказывается очень важным при необходимости работы теплового аккумулятора в условиях небольших температурных напоров [9].

Способ термохимического аккумулирования тепловой энергии основан на использовании обратимых химических реакций. Он позволяет запасать тепловой энергии на единицу массы больше, чем в первых двух случаях, но сложен в реализации.

Из рассмотренной специфики процессов в аккумуляторах теплоты, можно сделать вывод, что аккумулирование тепловой энергии, основанное на использовании обратимого процесса фазового перехода плавление-затвердевание, является наиболее предпочтительным. Однако существующие технические решения в области тепловых аккумуляторов на основе фазового перехода, имеют ряд недостатков, обусловленных сложностью конструкции теплообменных аппаратов. В этой связи применение шнекового теплообменника позволяет упростить конструкцию, уменьшить размеры установки и исключить засорение теплообменной поверхности. Кроме того, вышеприведенный способ передачи тепловой энергии от теплоаккумулирующего материала к теплоносителю и обратно, позволяет контролировать соответственно разряд и заряд теплового аккумулятора.

Принципиальная схема теплоаккумулятора на основе фазового перехода со шнековым теплообменником представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 — Принципиальная схема теплоаккумулятора со шнековым теплообменником

На схеме можно выделить основные компоненты конструкции: баки-аккумуляторы 1,2 соединены шнековым транспортером 3, приводимым в действие приводом 4. В состав электропривода входят асинхронный двигатель, преобразователь частоты для регулирования скорости вращения шнека, а также вспомогательных устройств сопряжения валов электродвигателя и шнекового транспортера.

Разряд теплоаккумулятора начинается с приведения в действие привода 4. Теплоаккумулирующий материал в виде расплава движется по шнековому теплообменнику 3 из бака-аккумулятора 1. В процессе движения он отдает запасенную теплоту теплоносителю, циркулирующему в наружном контуре теплообменника, кристаллизуется и направляется в бак-аккумулятор 2 для нового цикла зарядки. Тепловой поток, передаваемый через стенку шнекового теплообменника, определяется по формуле (1) [10]: