Патент на изобретение №2241915

(54) ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА

(57) Реферат:

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ