Акумулятор теплоти з фазовим переходом

Реферат: Акумулятор теплоти з фазовим переходом містить теплоізольований циліндровий вертикально орієнтований корпус, сферичне дно і знімну верхню кришку, забезпечений заливним і зливним отворами, розміщений в корпусі блок, що містить вертикально орієнтовані елементи, заповнені теплоакумулюючим складом, що змінює агрегатний стан в робочому діапазоні температур, які розташовані в шаховому порядку з утворенням в поперечному перерізі міжтрубного простору безлічі замкнутих криволінійних трикутників опуклістю всередину, при цьому горизонтальний ряд елементів встановлений в обоймі, що має внутрішню порожнину призматичної форми, забезпечений горизонтальними розділовими гідравлічно прозорими поверхнями, циліндровий корпус заповнений теплоносієм, таким чином, що всі внутрішні складові акумулятора теплоти, включаючи теплоакумулюючі елементи, занурені в теплоносій. Циліндровий корпус додатково забезпечений двома впускними і двома випускними штуцерами, прикріпленими до корпусу, при цьому до однієї пари впускного і випускного штуцерів приєднаний змійовик, встановлений в нижній частці циліндрового корпусу та сполучений з джерелом теплоти, до другої пари впускного і випускного штуцерів приєднаний змійовик, встановлений у верхній частці циліндрового корпусу та сполучений зі споживачем теплоти, витки змійовиків концентричні корпусу і знаходяться на такій мінімальній відстані від корпусу, щоб забезпечити гідравлічну прозорість, горизонтальні розділові гідравлічно прозорі поверхні виконані у вигляді етажерки, на якій встановлені теплоакумулюючі елементи, виконані з тонкостінного високотеплопровідного металу. При цьому висота корпусу елемента на 25 % більше висоти заповнюваного об'єму, елемент у верхній площині має кришку, на етажерку встановлені знімні полиці, кожна з яких має самостійні опори та обойму, горизонтальні поверхні полиць повторюють геометрію горизонтальної поверхні етажерки і встановлені у вертикальній площині одна над іншою, висота полиць мінімально перевищує висоту елемента. На полицях розміщені теплоакумулюючі елементи, при цьому на елементи, які розташовані на верхній полиці, встановлений металевий перфорований диск, об'єм суцільної маси теплоакумулюючого складу, що знаходиться у елементі, вибраний, виходячи з вимог за часом повного розплавлення тіла, що є рівностороннім циліндром. UA 115816 U (12) UA 115816 U UA 115816 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області теплотехніки, а саме до пристроїв, що використовують приховану теплоту фазових переходів для акумуляції теплоти і можуть застосовуватися для акумуляції теплової енергії в системах опалювання, працюючих в режимі "нічного тарифу". Відома конструкція теплоакумулюючого пристрою (див. Патент US № 3328642, 1964 г.), що працює на основі фазоперехідної робочої речовини, яка має корпус з місткістю, заповненою натрієм. Місткість розділена на декілька герметичних відсіків з плоскою основою, яка застосовується як теплоприймач від джерела енергії. Відома конструкція теплоакумулюючого пристрою (див. Патент RU № 2306494, МПК F24H 7/00, опуб. 2007), що містить корпус, що має порожнини, заповнені теплоакумулюючою фазоперехідною робочою речовиною, при цьому як робоча речовина використана композиція формостійкого матеріалу, що сполучається з навколишнім середовищем, а корпус може бути виконаний у вигляді сотопанелі або у вигляді радіатора. Корпус і стичний з ним формостійкий фазоперехідний матеріал (далі ФПМ) нагрівається за рахунок тепла, що отримується від джерела електроенергії. При досягненні в пристінкових шарах температури плавлення ФПМ починає плавитися. Передача теплоти у внутрішній об'єм ФПМ здійснюється теплопровідністю. При плавленні ФПМ поглинає кількість теплоти, що дорівнює енергоємності ФПМ при фазовому переході та нагріві, при цьому в об'ємі ФПМ знаходяться тверда і рідка фази. Межа розділу фаз рухлива та змінюється у часі. При виключенні джерела електроенергії відбувається охолодження ФПМ і його твердіння за рахунок передачі теплоти від джерела електроенергії та корпусу в навколишнє середовище за триваліший період часу. При цьому виділяється кількість теплоти, яка була поглинена пристроєм, що акумулює тепло в період роботи джерела електроенергії. Режим роботи пристрою - циклічний і час між повторними включеннями має бути таким, щоб робоча речовина встигла повністю затвердіти на початок наступного циклу включення. Корпус і сотопанель виконуються з високотеплопровідного металу, а заправку сотопанелі здійснюють фазоперехідною робочою речовиною та проводять при максимальній температурі рідкої робочої речовини, яку вона може досягти в процесі роботи. Недоліками відомого пристрою є те, що в ньому не визначені форма, розміри і кількість плавкої речовини, які визначають час теплоакумуляції. З існуючого рівня техніки відомий пристрій акумуляції тепла (див. патент RU № 2436020, МПК F24H 7/00, опуб. 2011), технічною задачею якого є підвищення ефективності процесу зарядки-розрядки акумулятора за рахунок збільшення поверхні теплообміну між теплопередавальним і теплоакумулюючим середовищем. Акумулятор тепла містить контейнер, заповнений парафіном, в якому розміщені теплообмінні елементи, виконані з металевої сітки і гофровані труби з теплоносієм. Недоліком відомого акумулятора є відсутність аргументації у виборі маси парафіну, форми і розмірів контейнера, що визначає акумулюючу здатність пристрою і час зарядки-розрядки акумулятора. Найбільш близьким до заявленої корисної моделі є акумулятор теплоти (див. патент RU № 2145404, МПК F24H 7/00, опуб. 2000 г.), що має теплоізольований шляхом вакуумування циліндричний корпус, що містить, впускну і випускну труби, розміщений в корпусі блок з паралельно розташованих капсул, заповнених теплоакумулюючим складом, що змінює агрегатний стан в робочому діапазоні температур, розділові пластини, встановлені перпендикулярно подовжній осі, при цьому капсули у блоці виконані трубчастими, розміщені в шаховому порядку з утворенням в поперечному перерізі міжтрубному простору безлічі замкнутих криволінійних трикутників опуклістю всередину, при цьому блок капсул встановлений в обоймі, що має внутрішню порожнину призматичної форми, розділові пластини розміщені на відстані, що фіксується, закріплені до підстав обойми і виконані гідравлічно прозорими, наприклад, у вигляді перфорованого диска, вхід випускної труби зміщений відносно подовжній осі корпусу на максимально можливу відстань, а корпус забезпечений знімною кришкою з вхідним і вихідним отвором, в який запресований згадані впускна і випускна труби. Відома конструкція призначена для роботи в пристроях, споживаючих теплову енергію при нерівномірному її отриманні або витрачанні. Відомий пристрій вибраний як найближчий аналог. Найближчий аналог і пристрій, що заявляється, мають наступні загальні ознаки: - теплоізольований циліндричний вертикально орієнтований корпус; - сферичне дно і знімну верхню кришку, забезпечену заливним і зливним отворами; - розміщений в корпусі блок з вертикально орієнтованими елементами, які заповнені теплоакумулюючим складом, що змінює агрегатний стан в робочому діапазоні температур, при цьому елементи розташовані в шаховому порядку з утворенням в поперечному перерізі міжтрубного простору безлічі замкнутих криволінійних трикутників опуклістю всередину, 1 UA 115816 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 горизонтальний ряд елементів встановлений в обоймі, що має внутрішню порожнину призматичної форми; - забезпечений горизонтальними розділовими гідравлічно прозорими поверхнями; - циліндричний корпус заповнений теплоносієм таким чином, що усі внутрішні елементи акумулятора теплоти, включаючи теплоакумулюючі елементи, занурені в теплоносій. Недоліком найближчого аналога є те, що: трубчасті капсули, в яких заправлений теплоакумулюючий склад, мають форму стрижнів, у яких довжина істотно більше ніж діаметр, який складає 8-10 мм. Оскільки плавлення складу походить від поверхні капсули до центру, то довжина капсули не визначає час плавлення, а визначальним є радіус, який складає 4-5 мм. Використання як теплоакумулятора циліндричної конструкції, у якої довжина набагато більше діаметру, означає, що застосовується досить велика маса теплоакумулюючого складу при малому часі плавлення і наступного твердіння. Для найближчого аналога є важливим не зменшити швидкість розрядки акумулятора теплоти. По розрахункових залежностях нестаціонарної теплопровідності, проведених нами, для розмірів циліндра, запропонованого в найближчому аналогу, час повного розплавлення і подальшого твердіння, залежно від інтенсивності обмивання теплоносієм і його температури, складе 20-40 хвилин. Такий період фази акумуляції не придатний для систем опалювання. Не раціонально використовується маса теплоакумулюючого складу, вартість якого висока. Виготовлення і заправка капсул здійснюється в заводських умовах шляхом запакування одного кінця трубки. В основу корисної моделі поставлена задача створення акумулятора теплоти з фазовим переходом, з використанням мінімальної маси теплоакумулюючого складу для заданого часу акумуляції теплоти, що має оптимальні розміри і форму теплоакумулюючого елемента, що дозволяють спростити, здешевити конструкцію, підвищити її надійність у виготовленні та експлуатації. Поставлена задача вирішується акумулятором теплоти з фазовим переходом, що містить теплоізольований циліндровий вертикально орієнтований корпус, сферичне дно і знімну верхню кришку, забезпечений заливним і зливним отворами, розміщений в корпусі блок, що містить вертикально орієнтовані елементи, заповнені теплоакумулюючим складом, що змінює агрегатний стан в робочому діапазоні температур, які розташовані в шаховому порядку з утворенням в поперечному перерізі міжтрубного простору безлічі замкнутих криволінійних трикутників опуклістю всередину, при цьому горизонтальний ряд елементів встановлений в обоймі, що має внутрішню порожнину призматичної форми, забезпечений горизонтальними розділовими гідравлічно прозорими поверхнями, циліндровий корпус заповнений теплоносієм, таким чином, що всі внутрішні складові акумулятора теплоти, включаючи теплоакумулюючі елементи, занурені в теплоносій, циліндровий корпус додатково забезпечений двома впускними і двома випускними штуцерами, прикріпленими до корпусу, при цьому до однієї пари впускного і випускного штуцерів приєднаний змійовик, встановлений в нижній частці циліндрового корпусу та сполучений з джерелом теплоти, до другої пари впускного і випускного штуцерів приєднаний змійовик, встановлений у верхній частці циліндрового корпусу та сполучений зі споживачем теплоти, витки змійовиків концентричні корпусу і знаходяться на такій мінімальній відстані від корпусу, щоб забезпечити гідравлічну прозорість, горизонтальні розділові гідравлічно прозорі поверхні виконані у вигляді етажерки, на якій встановлені теплоакумулюючі елементи, виконані з тонкостінного високотеплопровідного металу, при цьому висота корпусу елемента на 25 % більше висоти заповнюваного об'єму, елемент у верхній площині має кришку, на етажерку встановлені знімні полиці, кожна з яких має самостійні опори та обойму, горизонтальні поверхні полиць повторюють геометрію горизонтальної поверхні етажерки і встановлені у вертикальній площині одна над іншою, висота полиць мінімально перевищує висоту елемента, на полицях розміщені теплоакумулюючі елементи, при цьому на елементи, які розташовані на верхній полиці, встановлений металевий перфорований диск, об'єм суцільної маси теплоакумулюючого складу, що знаходиться у елементі, вибраний, виходячи з вимог за часом повного розплавлення тіла, що є рівностороннім циліндром. Новим у корисній моделі, що заявляється, є те, що циліндровий корпус додатково забезпечений двома впускними і двома випускними штуцерами, прикріпленими до корпусу, при цьому до однієї пари впускного і випускного штуцерів приєднаний змійовик, встановлений в нижній частці циліндрового корпусу та сполучений з джерелом теплоти, до другої пари впускного і випускного штуцерів приєднаний змійовик, встановлений у верхній частці циліндрового корпусу та сполучений зі споживачем теплоти, витки змійовиків концентричні корпусу і знаходяться на такій мінімальній відстані від корпусу, щоб забезпечити гідравлічну прозорість, горизонтальні розділові гідравлічно прозорі поверхні виконані у вигляді етажерки, на 2 UA 115816 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 якій встановлені теплоакумулюючі елементи, виконані з тонкостінного високотеплопровідного металу, при цьому висота корпусу елементу на 25 % більше висоти заповнюваного об'єму, елемент у верхній площині має кришку, на етажерку встановлені знімні полиці, кожна з яких має самостійні опори та обойму, горизонтальні поверхні полиць повторюють геометрію горизонтальної поверхні етажерки і встановлені у вертикальній площині одна над іншою, висота полиць мінімально перевищує висоту елемента, на полицях розміщені теплоакумулюючі елементи, при цьому на елементи, які розташовані на верхній полиці, встановлений металевий перфорований диск, об'єм суцільної маси теплоакумулюючого складу, що знаходиться у елементі, вибраний, виходячи з вимог за часом повного розплавлення тіла, що є рівностороннім циліндром. Істотні відзнаки, що заявляються, дозволяють досягти наступний технічний результат: визначити мінімальну масу, оптимальну форму і розміри теплоакумулюючого елемента, який забезпечить заданий час акумуляції теплоти. Мінімальна поверхня теплоакумулюючого елемента забезпечує максимальний час її розплавлення та твердіння, а мінімальна маса здешевлює акумулятор теплоти. Розробка конструкції теплоакумулюючого елемента, його розташування і фіксації в акумуляторі теплоти забезпечує простоту їх виготовлення і надійність в експлуатації. Приклад виконання запропонованого пристрою ілюструється кресленнями, наведеними на фіг. 1 та фіг. 2. На фіг. 1 наведений акумулятор теплоти з фазовим переходом. Усередині циліндрового корпусу, виконаного у вигляді бака 1, встановлені спіральні змійовики 2 і 3, бак покритий теплоізоляцією 4 і заповнений теплоносієм 5, усередині бака встановлена етажерка 6, на етажерці встановлені полиці 7, на них встановлені елементи 8 із знімною кришкою 9, елементи заповнені парафіном 10, кожна полиця 7 має опори 11 і обійму 12, верхній ряд елементів 8 підвантажений перфорованим диском 13. На фіг. 2 наведений акумулятор теплоти з фазовим переходом (вигляд зверху без верхньої кришки та перфорованого диска 13). Повна теплоємність бака розраховується як сума повної теплоємності теплоносія та повної теплоємності парафіну, що знаходиться у елементах. Теплоємність парафіну майже удвічі менше теплоємності води і, відповідно, при нагріві і охолоджуванні удвічі менше акумулює теплоту, ніж вода. Проте, в процесі фазового переходу парафіну, при плавленні і твердінні, кількість закумульованої теплоти істотно перевершує теплоакумулюючі властивості води для діапазону поблизу температури плавлення даного сорту парафіну. Тому, якщо забезпечити роботу системи в цьому діапазоні, то можна істотно збільшити теплоакумулюючі здібності бака, або застосовувати баки меншого об'єму без втрати теплоакумулюючої здатності. Так, при завантаженні парафіну в кількості 160 кг в акумулятор теплоти, в якому залито 1600 кг води, теоретично можна акумулювати 91200 кДж теплоти або 25,4 кВт·час електроенергії. Для акумулятора теплоти, в якому залито 1760 кг води, при прогріванні від 50 до 60 °С, теоретично можна акумулювати 73920 кДж теплоти або 20,5 кВт·час електроенергії, тобто акумулююча здатність бака збільшиться на 23 %. При завантаженні в бак 500 кг парафіну акумулююча здатність бака збільшиться на 73 %. Наприклад, може бути застосований парафін П-2, в якого по сертифікату якості, температура плавлення складає 52,6 °С. Для систем опалювання акумуляцію теплоти раціонально проводити під час дії "нічного тарифу". При цьому вода в акумуляторі теплоти повинна мати температуру (55±2)°С, а парафін у елементах повинен повністю розплавитися, тобто температура в придонній частці на центральній осі кожного елемента з парафіном до часу закінчення "нічного тарифу" в 6.00 має бути не нижче, ніж на 2 градуси температури плавлення даного сорту парафіну. Відомо, що час нагрівання, а, отже, і плавлення даної речовини визначається не лише умовами обігріву, але і формою і розмірами тіла. Оскільки умови обігріву кожного об'єму парафіну в акумуляторі теплоти практично однакові, то ідеальною формою буде куля, яка має мінімальну поверхню контакту з водою, що обігріває, а, отже, і мінімальну масу для розплавлення за даний час. Мінімальна поверхня теплоакумулюючого елемента забезпечує максимальний час розплавлення і твердіння, а мінімальна маса - здешевлює теплоакумулятор. Для практичної реалізації виготовити теплоакумулюючі елементи у вигляді сфер з подальшим заповненням їх парафіном досить складно, тому вирішено застосувати елементи у вигляді циліндрів, в яких висота заповнення парафіном дорівнює діаметру, тобто використовувати об'єми максимально наближені формою до кулі. В цьому варіанті виконання елемента практично всі точки поверхні однаково віддалені від центру циліндра, тобто процеси плавлення і твердіння парафіну походитимуть рівномірно від поверхні до центру. Ємкості з парафіном виконують функцію акумуляторів теплоти лише в режимі опалювання, коли парафін 3 UA 115816 U 5 10 15 20 25 може розплавитися з подальшим твердінням. Саме при твердінні відбувається виділення закумульованої теплоти. З приведеного вище виходить, що всю потрібну масу парафіну треба розділити на незмішувані об'єми такої маси, щоб час плавлення цих об'ємів парафіну складав 78 годин, що, наприклад, близько до часу знаходження службовців на робочих місцях. Час акумуляції теплоти повинен відповідати часу "нічного тарифу". Розрахунок діаметра рівностороннього циліндра для даного сорту парафіну при часі плавлення ~ 8 годин проводився методом послідовних наближень по методиці розрахунку нестаціонарної теплопровідності, де змінній величиною був діаметр. Температура рідини приймалася рівною 55 °С, температура стінки приймалася 40 °С, що підтверджувалося експериментальними вимірами. По розрахунках величина діаметра циліндра для цих умов склала 134 мм. Акумулятор теплоти з фазовим переходом є ефективним в системах опалювання, де джерелом теплової енергії є тепловий насос, який може забезпечувати підігрів води в баку цілодобово, включаючи і час "нічного тарифу". Підігрів води в баку здійснюється шляхом циркуляції води по нижньому теплообміннику 2. Тепловий насос забезпечує прогрівання води в баку до 55 °С. Акумулятор теплоти з фазовим переходом працює таким чином. У бак 1 встановлюється етажерка 6, на полиці 7 якої встановлюються елементи з парафіном 8 в такій кількості, щоб повна акумулююча здатність бака забезпечувала акумуляцію кількості тепла, необхідного для опалювання конкретних приміщень. Критерієм часу акумуляції тепла є час "нічного тарифу", який складає 7 годин. Розрахована кількість парафіну розділяється на незмішувані об'єми, які заповнюються в тонкостінні ємкості, які виконані з високотеплопровідного металу, при цьому ємкості закриваються, утворюючи одиничні акумулюючі елементи. Розміри цих елементів розраховуються так, щоб за час "нічного тарифу" теплоакумулюючий склад в них повністю розплавлявся. При закінченні часу "нічного тарифу" тепловий насос відключається і включається циркуляція води через змієвиковий теплообмінник 3, при цьому відбувається перенесення тепла, закумульованого в баку, споживачеві. В результаті цього вода в баку охолоджується, а парафін твердне. При включенні теплового насоса процес акумуляції тепла повторюється. 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 50 55 Акумулятор теплоти з фазовим переходом, що містить теплоізольований циліндровий вертикально орієнтований корпус, сферичне дно і знімну верхню кришку, забезпечений заливним і зливним отворами, розміщений в корпусі блок, що містить вертикально орієнтовані елементи, заповнені теплоакумулюючим складом, що змінює агрегатний стан в робочому діапазоні температур, які розташовані в шаховому порядку з утворенням в поперечному перерізі міжтрубного простору безлічі замкнутих криволінійних трикутників опуклістю всередину, при цьому горизонтальний ряд елементів встановлений в обоймі, що має внутрішню порожнину призматичної форми, забезпечений горизонтальними розділовими гідравлічно прозорими поверхнями, циліндровий корпус заповнений теплоносієм, таким чином, що всі внутрішні складові акумулятора теплоти, включаючи теплоакумулюючі елементи, занурені в теплоносій, який відрізняється тим, що циліндровий корпус додатково забезпечений двома впускними і двома випускними штуцерами, прикріпленими до корпусу, при цьому до однієї пари впускного і випускного штуцерів приєднаний змійовик, встановлений в нижній частці циліндрового корпусу та сполучений з джерелом теплоти, до другої пари впускного і випускного штуцерів приєднаний змійовик, встановлений у верхній частці циліндрового корпусу та сполучений зі споживачем теплоти, витки змійовиків концентричні корпусу і знаходяться на такій мінімальній відстані від корпусу, щоб забезпечити гідравлічну прозорість, горизонтальні розділові гідравлічно прозорі поверхні виконані у вигляді етажерки, на якій встановлені теплоакумулюючі елементи, виконані з тонкостінного високотеплопровідного металу, при цьому висота корпусу елемента на 25 % більше висоти заповнюваного об'єму, елемент у верхній площині має кришку, на етажерку встановлені знімні полиці, кожна з яких має самостійні опори та обойму, горизонтальні поверхні полиць повторюють геометрію горизонтальної поверхні етажерки і встановлені у вертикальній площині одна над іншою, висота полиць мінімально перевищує висоту елемента, на полицях розміщені теплоакумулюючі елементи, при цьому на елементи, які розташовані на верхній полиці, встановлений металевий перфорований диск, об'єм суцільної маси теплоакумулюючого складу, що знаходиться у елементі, вибраний, виходячи з вимог за часом повного розплавлення тіла, що є рівностороннім циліндром. 4 UA 115816 U 5 UA 115816 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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 6