ТЕПЛОАККУМУЛЯТОР

Полезная модель относится к области отопительной техники и может быть использована для отопления и горячего водоснабжения жилых и нежилых помещений.
Из существующего уровня техники известен теплоаккумулятор, включающий теплонакопитель с каналами для прохода воздушного теплоносителя потребителя, электронагревательные элементы, теплоизоляцию, воздухонагнетатель (см., напр., RU №36491, опубл. 10.03.2004). Недостатком данного технического решения является сложность замены вышедшего из строя теплонакопителя. Кроме того, высокая температура в зоне контакта электронагревательных элементов с теплонакопителем создает условия для выгорания кислорода и уменьшения отрицательных аэроионов в воздушном теплоносителе потребителя, что влечет за собой наличие посторонних запахов и возможных нежелательных выделений из органических продуктов в отапливаемом помещении.
Также известен теплоаккумулятор, включающий снабженный слоем теплоизоляции корпус с установленным в нем воздухонагнетателем и теплонакопителем в виде скрепленных между собой теплоаккумулирующих элементов, в пазах которых установлены электронагревательные элементы. Между теплонакопителем и теплоизоляцией размещены каналообразующие элементы, выполненные с возможностью транспортировки теплоносителя, предпочтительно жидкости или воздуха, с одновременной его изоляцией от теплоносителя (см., напр., RU №121040, опубл. 10.10.2012 г.). Недостатком данного технического решения является наличие изолированных от теплонакопителя воздушных каналов, по которым проходит теплоноситель потребителя, что усложняет конструкцию теплоаккумулятора и не позволяет в полной мере снизить уровень остаточного тепла в теплонакопителе. Кроме того, электронагреватели в рассматриваемом аналоге работают в замкнутом пространстве, что ухудшает условия работы и укорачивает их срок службы.
Наиболее близким по технической сути к заявленному техническому решению является теплоаккумулятор, включающий снабженный слоем теплоизоляции корпус с установленным в нем теплонакопителем с каналами и электронагревательными элементами, а также воздухонагнетателем, соединенным с теплообменником (см., напр., RU №2537661, опубл. 10.01.2015 г.). В этом устройстве решена проблема низкого качества состава воздуха в отапливаемом помещении за счет исключения попадания воздуха из отапливаемого помещения в устройство, расширена возможность его применения для горячего водоснабжения. Однако, обсуждаемое устройство конструктивно сложно и громоздко для индивидуального применения. Для накопления более-менее приличного запаса тепла требуется большой объем теплоносителя, что обуславливает использование крупногабаритного водяного термоаккумуляционного накопителя большой емкости. Кроме того, себестоимость такого устройства достаточно высока из-за применения графитовых блоков, техническое обслуживание оборудования дорогое, что обуславливает его применение преимущественно на промышленных предприятиях. Исключена возможность применения устройства для нагрева воздушного теплоносителя потребителя.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является создание компактного высокоэффективного теплоаккумулятора, преимущественно, для индивидуального использования в частных домах и квартирах, а также в многоквартирных жилых домах в качестве общего тепло- и водоснабжения.
Данная задача решается за счет того, что в заявляемом теплоаккумуляторе, включающем снабженный слоем теплоизоляции корпус с установленным в нем теплонакопителем с каналами и электронагревательными элементами, а также воздухонагнетателем, соединенным с теплообменником, согласно техническому решению, тепло накопитель установлен в корпусе с формированием воздушного зазора между ним и слоем теплоизоляции и представляет собой теплоаккумулирующие элементы, скрепленные между собой с образованием изолированных друг от друга подающих каналов и снабженных электронагревательными элементами нагревательных каналов, при этом подающие и нагревательные каналы имеют сообщение по воздушному зазору, сформированному с обеспечением подачи воздуха от воздухонагнетателя через нагревательные каналы в подающие каналы, каждый из которых соединен на вход с теплообменником, выход которого соединен с воздухонагнетателем.
Слой теплоизоляции может быть снабжен теплоотражающим экраном.
Воздухонагнетатель может быть выполнен в виде дымососа или вентилятора.
Теплоаккумулирующие элементы могут быть выполнены из натурального камня.
Теплоаккумулирующие элементы могут быть выполнены из искусственного теплоемкого и термостойкого материала и предпочтительно имеют защитную оболочку.
Теплоаккумулирующие элементы могут быть выполнены из молотого или кускового наполнителя методом литья, прессования или формовки с применением термостойких связующих и, предпочтительно, имеют защитную оболочку.
Теплоаккумулирующие элементы могут быть скреплены между собой болтами и/или шпильками.
Электронагревательные элементы могут быть снабжены термопредохранителем и регулятором температуры.
Теплоаккумулятор может быть дополнительно снабжен коммутационным устройством, выполненным с возможностью обеспечения параллельного или последовательного подключения теплоаккумулятора, по меньшей мере, к двум источникам электроэнергии.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение эффективности отдачи тепла теплоносителю потребителя при постоянной температуре за счет увеличения теплоотдачи аккумулированного тепла рабочему носителю тепловой энергии путем увеличения площади съема тепла благодаря формированию воздушного зазора между теплонакопителем и слоем теплоизоляции, позволяющего съем тепла со всей внешней поверхности теплонакопителя и при помощи подающих и нагревательных каналов, позволяющих съем тепла с поверхности теплоаккумулирующих элементов в каждом канале непосредственно внутри теплонакопителя; за счет обеспечения максимального нагрева рабочего теплоносителя благодаря изолированности подающих и нагревательных каналов друг от друга и конструктивному обеспечению последовательности прохождения воздуха от воздухонагнетателя через нагревательные каналы по воздушному зазору в подающие каналы, что исключает смешение в подающих каналах нагретого воздуха с охлажденным, препятствуя понижению температуры рабочего теплоносителя на входе в теплообменник; а также за счет повышения производительности отдачи рабочим носителем тепла теплоносителю потребителя путем увеличения объема поступления в теплообменник нагретого в тепло накопителе воздуха в единицу времени в виду соединения каждого подающего канала теплонакопителя с теплообменником при принудительной подаче в него воздуха воздухонагнетателем; при минимальных временных и энергетических затратах на подогрев теплонакопителя по причине использования теплоаккумулирующих элементов в конструкции, обеспечивающей замкнутую систему циркуляции постоянного объема рабочего носителя тепловой энергии, исключающей приток холодного воздуха извне в систему теплоккумулятора.
Сущность заявленного устройства поясняется чертежами, не охватывающими и, тем более, не ограничивающими объем притязаний по данному решению, а лишь являющимися иллюстрирующими материалами частных случаев выполнения устройства. На чертежах изображено
На Фиг. 1 - теплоаккумулятор продольный разрез
На Фиг. 2 - теплоаккумулятор поперечный разрез А-А на Фиг. 1
На Фиг. 3 - теплоаккумулятор разрез Б-Б на Фиг. 1
На Фиг. 4 - увеличенная часть теплоаккумулятора см. Фиг. 1.
Теплоаккумулятор включает корпус 1, теплонакопитель 2, воздухонагнетатель 3, теплообменник 4. Корпус 1 снабжен слоем теплоизоляции 5. Теплонакопитель 2 установлен в корпусе 1 с формированием воздушного зазора 6 между ним и слоем 5 теплоизоляции. Теплонакопитель 2 состоит из скрепленных между собой теплоаккумулирующих элементов 7. Теплоаккумулирующие элементы 7 скреплены между собой таким образом, что образуют подающие каналы 8 и нагревательные каналы 9. Подающие каналы 8 изолированы от нагревательных каналов 9 в теле теплонакопителя 2 и имеют с ними сообщение по воздушному зазору 6. Нагревательные каналы 9 снабжены электронагревательными элементами 10. Воздухонагнетатель 3 соединен с теплообменником 4 и выполнен обеспечивающим подачу воздуха по воздушному зазору 6 в нагревательные каналы 9. Каждый из подающих каналов 8 соединен на вход с теплообменником 4, выход которого соединен с воздухонагнетателем 3. Воздушный зазор 6 сформирован с обеспечением подачи воздуха от воздухонагнетателя 3 через нагревательные каналы 9 в подающие каналы 8. Для этого воздушный зазор 6 может быть перекрыт по периметру со стороны установки воздухонагнетателя 3 или теплоизоляцией, или запорными пластинами 11 (как показано на фиг. 2, 3), или теплоаккумулирующими элементами. С этой же целью сам теплонакопитель 2 может устанавливаться с образованием воздушного зазора лишь по трем сторонам корпуса 1: по стороне с воздухонагнетателем 3, противоположной ей стороне и стороне с открытыми подающими каналами 8.
Работа теплоаккумулятора осуществляется следующим образом.
Передача тепла от рабочего носителя тепловой энергии (воздух) теплоносителю потребителя (воздух, вода, твердое тело) осуществляется в теплообменнике 4. Нагрев рабочего носителя тепловой энергии происходит циклично по замкнутому контуру. Электронагревательные элементы 10 нагреваются от электроэнергии и передают тепло теплоаккумулирующим элементам 7 теплонакопителя 2. Охлажденный в теплообменнике 4 воздух подается воздухонагнетателем 3 по воздушному зазору 6 в нагревательные каналы 9. Проходя воздушный зазор 6, воздух начинает нагрев, снимая тепло с внешней поверхности теплонакопителя 2, при прохождении нагревательных каналов 9 воздух продолжает нагреваться, снимая тепло с поверхности нагревательных каналов 9. Далее воздух попадает в воздушный зазор 6, перемещаясь по которому снимает тепло с внешней поверхности теплонакопителя 2 и попадает в подающие каналы 8 теплонакопителя 2, где происходит его окончательный нагрев до высоких температур, благодаря съему тепла с поверхности подающих каналов 8. По подающим каналам 8 нагретый до высоких температур рабочий носитель тепловой энергии подается в теплообменник 4. После передачи им тепла теплоносителю потребителя цикл повторяется. Снабжение корпуса 1 слоем теплоизоляции 5 позволяет предотвратить нежелательную передачу тепла от теплонакопителя 2 корпусу 1, что также влияет на эффективность работы теплоаккумулятора в целом.
Благодаря изолированности подающих и нагревательных каналов 8, 9 вновь поступивший из теплообменника 4 охлажденный воздух не имеет возможности примешиваться к воздуху, прошедшему весь цикл нагрева, что исключает снижение температуры рабочего теплоносителя на входе в теплообменник 4. За счет того, что каждый подающий канал 8 напрямую связан с теплообменником 4, происходит увеличение объема поступающего в единицу времени в теплообменник 4 нагретого до максимально высоких температур воздуха, что положительно влияет на производительность отдачи тепла. При этом, благодаря работе воздухонагнетателя 3, воздух не успевает сильно охладиться в теплообменнике 4, что минимизирует время и энергетические затраты на нагрев воздуха в следующем цикле, учитывая работу теплоаккумулирующих элементов и замкнутую систему циркуляции рабочего теплоносителя, исключающую приток в систему какого-либо воздуха извне.
Температуру нагрева теплоносителя потребителя возможно регулировать с помощью изменения скорости прохождения теплоносителя потребителя через теплообменник 4 или изменением режима работы электронагревательных элементов 10 в теплонакопителе 2.
Для увеличения площади поверхности съема тепла при прохождении воздухом воздушного зазора 6 в предпочтительном варианте выполнения устройства слой теплоизоляции 5 может быть снабжен теплоотражающим экраном 12, что повышает эффективность работы теплоаккумулятора в целом. Кроме того, теплоотражающий экран 12 предотвращает попадание фрагментов теплоизоляции в контур нагрева: на электронагревательные элементы 10, поверхность подающих и нагревательных каналов каналов 8, 9, теплообменник 4, что увеличивает срок службы устройства.
В качестве воздухонагнетателя 3 может быть выбран дымосос или вентилятор, рассчитанный на работу при высоких температурах
Теплоаккумулирующие элементы 7 могут быть выполнены в форме плит или элементов других форм из натурального термостойкого, теплоемкого с большой теплопроводностью камня или из искусственного материала, обладающего высокой термостойкостью, теплоемкостью и теплопроводностью. Теплоаккумулирующие элементы 7, выполненные из бетона или другого искусственного материала, могут иметь защитную оболочку из металла.
В предпочтительном варианте выполнения устройства в качестве материала, обладающего высокой теплопроводностью, теплоемкостью и термостойкостью для элементов теплоаккумулирующего рабочего тела может быть выбран природный материал, представляющий собой натуральный экологически чистый минерал, предпочтительно, талькохлорит, или талькомагнезит, или талькокарбонат, или пироксенит, или оливин. Эти минералы могут использоваться как по отдельности, так и совместно. Перечисленные минералы обладают высокой термостойкостью к перепадам температур от -50°С до 1000°С, что позволяет в конструкции отказаться от металлических элементов. Их удельный вес в 1,5-2 раза выше, чем у шамотных изделий, а коэффициент теплопроводности превышает в 5-6 раз коэффициент теплопроводности шамота, что позволяет увеличить количество сохраняемого тепла за единицу времени и ускорить обогрев отапливаемого помещения.
Теплоаккумулирующие элементы 7 теплонакопителя 2 могут быть выполнены или из цельных плит, или из молотого и/или кускового наполнителя, сформированного методом литья, прессования или формовки, преимущественно с применением термостойких связующих. Для повышения прочности каждый теплоаккумулирующий элемент 7 может быть заключен в твердую, предпочтительно в металлическую, защитную оболочку. В одном из вариантов выполнения теплоаккумулирующие элементы 7 теплонакопителя 2 скреплены между собой болтами и/или шпильками 13 (как показано на фиг. 1, 2, 4) и представляют собой вертикальные плиты. Также крепление теплоаккумулирующих элементов 7 может осуществляться с помощью специальных металлических каркасов или коробов со специальными скобами.
Для обеспечения безопасной работы устройства электронагревательные элементы 10 могут быть снабжены термопредохранителем и регулятором температуры, например, электронным регулятором или манометрическим термометром.
Для экономии электроэнергии теплоаккумулятор может быть дополнительно снабжен коммутационным устройством, выполненным с возможностью обеспечения параллельного или последовательного подключения теплоаккумулятора, по меньшей мере, к двум источникам электроэнергии.
Заявленное устройство позволяет накапливать, сохранять и в максимально полном объеме и быстро отдавать тепловую энергию теплонакопителя, получаемую от избыточной электроэнергии автономных источников электроэнергии (солнечные и ветроэлектростанции) и от провальной (как правило, ночной) электроэнергии в электросетях.
Использование заявляемого технического решения в изготовлении теплоаккумуляторов позволит
увеличить срок службы электронагревателей за счет обеспечения прохода охлажденного рабочего теплоносителя через нагревательные каналы, где они располагаются,
увеличить эффективность работы теплонакопителя за счет снижения остаточного уровня тепла, благодаря прямому контакту рабочего теплоносителя с теплоаккумулирующими элементами, из которых он состоит.
обезопасить за счет использования теплообменников отапливаемые помещения от перегретого воздуха, остатков сгоревших электронагревательных элементов и возможных частиц теплоизоляции и теплоаккумулирующих элементов
значительно упростить конструкцию теплоаккумулятора.
Устройство прошло испытания, показало высокую надежность и эффективность в эксплуатации и планируется к серийному изготовлению.