Електричний термоакумулятор

Реферат: Електричний термоакумулятор складається з корпуса (1), теплового блока (6), заповненого теплоакумулюючим матеріалом, та електричного нагрівача. Тепловий блок (6) прикріплений до кришки (3) корпуса (1) та складається з теплоакумулюючих елементів (6), якими є тонкостінні металеві труби, заповнені матеріалом з фазовим переходом на основі парафіну. Труби герметично закриті з обох сторін пробками з нарізним сполученням та розміщені горизонтально у шаховому порядку на утримувачах (5), що прикріплені до плоских перегородок (9), які утворюють з боковими внутрішніми стінками корпуса два циркуляційні канали для теплоносія. Крім того, корпус (1) виготовлений із тонкої листової сталі, а зовнішня поверхня (10) корпуса виконана оребреною. Винахід забезпечує підвищення теплової ємності, коефіцієнта теплообміну, тривалості експлуатації та надійності роботи термоакумулятора. UA 113929 C2 (12) UA 113929 C2 UA 113929 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі теплоенергетики, зокрема до пристроїв для акумулювання теплоти, і може бути використаний для опалення приміщень. Відомий теплоакумулюючий опалювальний прилад, що складається з корпуса, повітряних порожнин з конвективними каналами, теплоємного наповнювача та електронагрівачів, додатково забезпечений центрами акумулювання теплової енергії, розміщеними в замкнутому повітряному контурі циркуляції у вигляді металевого короба, які є твердим теплонакопичувальним елементом та рідинними циркуляційними контурами у вигляді кільцевих каналів, заповнених теплоємним теплоносієм та об'єднаних центральною трубою, а рідинні циркуляційні контури з боку впливу променистого потоку від теплонакопичувального елемента мають теплосприймаючі екрани, гілки рідинних циркуляційних контурів і зовнішня частина коробу оснащені пластинами оребрення, що утворюють в коробі і щілинному каналі місця, що забезпечують динаміку конвективних потоків [Патент РФ № 2567224, МПК F24D 15/02, опубл. 10.11.2015, бюл. № 31]. Проте акумулятори, що накопичують теплову енергію за рахунок теплоємності матеріалів у порівнянні з акумуляторами, що використовують теплоту фазового переходу матеріалу, мають низьку густину накопичення енергії та, відповідно, значно гірші енергоємні та масогабаритні характеристики. Також відома конструкція теплоакумулятора-електрокалорифера, що складається з корпуса з вентилятором, з'єднаного з вхідним патрубком вентиляційної камери, теплоакумулюючого осердя, що утворює з корпусом периферійний повітряний канал, стального циліндра з теплопровідними ребрами, заповненого матеріалом з фазовим переходом та обгорнутого із зовнішнього боку теплостійкою ізоляцією, на яку намотано електричний нагрівач і розміщений в теплоакумулюючому осерді із створенням центрального наскрізного каналу [Патент України 33430 А, МПК F24H 7/00, опубл. 15.02.2001, бюл. № 1]. Недоліками даного приладу є незадовільні енергоємні та масогабаритні характеристики, оскільки кількість використаного матеріалу з фазовим переходом незначна, а основна теплота накопичується в осерді з твердим теплоємним матеріалом. Також недоліком є використання повітряного електричного нагрівача, що має високу температуру та викликає підвищену температуру не тільки в теплонакопичувальному осерді, але і в повітрі, що погіршує його якість. Це викликає термічне розкладання органічного пилу, яке супроводжується виділенням шкідливих речовин. Найбільш близьким для заявленого винаходу є електричний теплоакумулятор, що складається з корпуса та теплового блока, заповненого теплоакумулюючим матеріалом з фазовим переходом - евтектичною сольовою сумішшю. Усередині теплового блока встановлено трубчасті електронагрівачі, які мають на зовнішній поверхні приварене оребрення. Тепловий блок встановлено в корпус, що має з внутрішньої сторони ефективну теплоізоляцію. Нагрівання повітря здійснюється в щілинному каналі між теплоізоляцією і тепловим блоком як в режимі природної конвекції, так і при примусовому русі повітря за допомогою електровентилятора. Електричний теплоакумулятор здійснює перетворення електричної енергії в теплову і забезпечує накопичення енергії в теплоакумулюючому матеріалі з фазовим переходом. Теплоакумулятор має покращену енергоємну та масогабаритну характеристики (у зіставленні з теплоємними акумуляторами, маса менше на 30-50 %) та не викликає перегріву поверхонь та повітря [Трепутнев В.В. Электрические теплоаккумуляторы для отопления и горячего водоснабжения [Электронный ресурс] / В.В. Трепутнев // ЭСКО. Города в 21 веке. - 2013. - № 9. - Режим доступа: http://joumal.esco.co.ua/cities/2013_9/art171.pdf]. Недоліками цього теплоакумулятора є невелика теплообмінна поверхня, неможливість опалювати приміщення під час накопичення теплоти та використання евтектичної сольової суміші як теплоакумулюючого матеріалу з фазовим переходом. Такі суміші механічно нестабільні та мають короткий ресурс роботи - при багаторазових циклах плавленнякристалізації спостерігається розділення фаз та укрупнення кристалів аж до утворення складнорозчинного моноліту. Також сольові суміші можуть викликати корозію корпусу теплоакумулятора. Ще одним недоліком є наявність в конструкції електричного вентилятора, як елемента підвищеного ступеня відмови в роботі. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення електричного термоакумулятора шляхом модифікації корпуса, теплового блока, а також використання теплоакумулюючого матеріалу на основі парафіну, за рахунок чого збільшується теплообмінна поверхня, організовується природна циркуляція теплоносія, забезпечується опалення приміщення як у період розрядки, так і при зарядці термоакумулятора, що забезпечить підвищення теплової ємності, коефіцієнта теплообміну, тривалості експлуатації та надійності роботи. 1 UA 113929 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Поставлена задача вирішується тим, що в електричному термоакумуляторі, що складається з корпуса, теплового блока, заповненого теплоакумулюючим матеріалом, та електричного нагрівача, відповідно до винаходу, тепловий блок, прикріплений до кришки корпуса, складається з теплоакумулюючих елементів, якими є тонкостінні металеві труби, заповнені матеріалом з фазовим переходом на основі парафіну, герметично закриті з обох боків пробками з нарізним сполученням, розміщені горизонтально у шаховому порядку на утримувачах, що прикріплені до плоских перегородок, які утворюють з боковими внутрішніми стінками корпуса два циркуляційні канали для теплоносія. Крім того, корпус виготовлений із тонкої листової сталі, а зовнішня поверхня корпуса виконана оребреною. Запропонована конструкція теплового блока, що складається з тонкостінних металевих труб, розміщених в шаховому порядку і заповнених матеріалом з фазовим переходом на основі парафіну, забезпечує збільшення теплообмінної поверхні, що покращує теплообмін в режимах зарядки та розрядки термоакумулятора та збільшує його теплову ємність. Дві перегородки, встановлені всередині корпуса, утворюють канали, що забезпечують природну циркуляцію теплоносія між електричним нагрівачем і тепловим блоком в режимі зарядки термоакумулятора та між зовнішньою поверхнею корпуса термоакумулятора і тепловим блоком - в режимі розрядки, що збільшує коефіцієнт теплообміну. Відсутність теплової ізоляції дозволяє опалювати приміщення як у період розрядки, так і під час зарядки термоакумулятора, що забезпечить більш комфортні умови в опалювальному приміщенні. Оребрення корпуса термоакумулятора сприяє підвищенню теплообміну з оточуючим повітрям. Використання теплоакумулюючого матеріалу з фазовим переходом на основі парафіну забезпечує високу густину акумульованої енергії, стабільність теплофізичних властивостей після багаторазових зарядок та розрядок термоакумулятора, запобігає корозійним процесам, підвищує надійність та значно подовжує тривалість експлуатації термоакумулятора. Суть запропонованого винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 зображений електричний термоакумулятор, головний вигляд, фіг. 2 - вигляд зверху, фіг. 3 - поперечний розріз А-А. Електричний термоакумулятор містить корпус 1, який виконаний з тонкої листової сталі, заповнений мінеральним маслом та розміщений на підставці 2. До корпуса 1 зверху кріпиться знімна кришка 3, що має повітряний демпфер 4 для можливого температурного розширення масляного теплоносія. Знизу до кришки прикріплені два утримувачі 5, на яких горизонтально у шаховому порядку розміщені елементи теплового блока 6, заповнені теплоакумулюючим матеріалом з фазовим переходом на основі парафіну. Елементом є тонкостінна металева труба, герметично закрита з обох боків пробками з нарізним сполученням, через які вона заповнюється теплоакумулюючим матеріалом з фазовим переходом та обладнується датчиком температури 7. В нижній частині корпуса міститься електричний нагрівач 8 для масляного теплоносія. Для покращення теплообміну всередині корпусу передбачено дві перегородки 9, які прикріплені до утримувачів 5 і з боковими стінками корпуса термоакумулятора утворюють циркуляційні канали для масляного теплоносія. Для збільшення теплообмінної поверхні між електричним термоакумулятором та оточуючим середовищем зовнішня поверхня корпуса має оребрення 10. Для уникнення контакту з гарячою поверхнею корпуса, термоакумулятор обладнаний захисними стінками 11. Електричний термоакумулятор працює наступним чином. На електричний нагрівач 8, що розміщений в нижній частині корпуса, подається електроенергія, де вона перетворюється в теплову. При цьому відбувається нагрівання масляного теплоносія, потік якого за рахунок вільної конвекції спрямовується вгору і, огинаючи труби з теплоакумулюючим матеріалом, через прямокутні отвори між кришкою 3 та перегородками 9 по утвореним каналам надходить в нижню частину акумулятора, де знову підігрівається за допомогою електричного нагрівача 8. Об'єм мінерального масла, який утворюється внаслідок температурного розширення, надходить в демпфер 4. Нагріте масло за рахунок теплопровідності через стінку металевої труби передає свою теплоту теплоакумулюючому матеріалу з фазовим переходом на основі парафіну. Зарядка термоакумулятора відбувається в три етапи. На першому етапі теплоакумулюючий матеріал нагрівається від температури оточуючого середовища до температури його плавлення. При цьому він акумулює теплову енергію, яка пропорційна різниці температур, масі матеріалу та його теплоємності в твердому стані. На другому етапі відбувається плавлення теплоакумулюючого матеріалу, в результаті чого поглинається теплова енергія, що витрачається на фазовий перехід. Фазовий перехід для теплоакумулюючих матеріалів на основі 2 UA 113929 C2 5 10 15 20 25 30 парафінів знаходиться в діапазоні температур, дозволених санітарними нормами для жилих приміщень (30-85 °C). На третьому етапі розплавлений теплоакумулюючий матеріал нагрівається до температури, що визначена як безпечна з міркувань його термічної стійкості. Теплота, що акумулюється на третьому етапі, пропорційна різниці температур, масі та теплоємності теплоакумулюючого матеріалу в рідкому стані. Кількість теплоти, яка додатково може акумулюватись за рахунок теплоємності теплоакумулюючого матеріалу на основі парафіну, становить близько 30 % від загальної його енергоємності. Додатково теплова ємність термоакумулятора збільшується за рахунок теплоти, що акумулює масляний теплоносій при нагріванні від температури оточуючого середовища до безпечної температури теплоакумулюючого матеріалу. Оскільки корпус термоакумулятора виготовлено без теплоізоляції, то одночасно з зарядкою термоакумулятора відбувається опалення приміщення, оскільки нагрітий масляний теплоносій віддає свою теплоту як до теплоакумулюючого матеріалу з фазовим переходом, так і в оточуюче середовище. З досягненням теплоакумулюючим матеріалом температури термічної стійкості, що контролюється датчиком 7, зарядка термоакумулятора припиняється і він переводиться в режим розрядки, при якому відбувається його охолодження повітрям навколишнього середовища. В результаті охолодження термоакумулятор спочатку віддає теплоту накопичену за рахунок теплоємності теплоакумулюючого матеріалу в рідкому стані і при досягненні температури кристалізації починає віддавати теплоту фазового переходу, генерація якої припиняється при досягненні температури навколишнього середовища. Зарядка акумулятора зазвичай відбувається в нічний час при більш низькому тарифі на електроенергію. При тарифній політиці, що передбачає значно нижчий тариф на електроенергію, споживану в нічний час, використання електричних термоакумуляторів стає вигідним як для споживачів, так і для виробників електроенергії. Споживання електроенергії переноситься з пікових годин енергосистеми на години нічних провалів, сприяючи підвищенню економічності та надійності роботи енергосистеми в цілому і скороченню витрат безпосередньо на електростанціях. Зазвичай розрядка термоакумулятора відбувається в денний час. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 1. Електричний термоакумулятор, що складається з корпуса, теплового блока, заповненого теплоакумулюючим матеріалом, та електричного нагрівача, який відрізняється тим, що тепловий блок прикріплений до кришки корпуса, складається з теплоакумулюючих елементів, якими є тонкостінні металеві труби, заповнені матеріалом з фазовим переходом на основі парафіну, герметично закриті з обох боків пробками з нарізним сполученням, розміщені горизонтально у шаховому порядку на утримувачах, що прикріплені до плоских перегородок, які утворюють з боковими внутрішніми стінками корпуса два циркуляційні канали для теплоносія. 2. Електричний термоакумулятор за п. 1, який відрізняється тим, що корпус виготовлений із тонкої листової сталі. 3. Електричний термоакумулятор за п. 1, який відрізняється тим, що зовнішня поверхня корпуса виконана оребреною. 3 UA 113929 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4