Теплоаккумулирующий модуль-теплообменник
HEAT STORAGE MODULE-HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к хранению тепла в качестве теплообменника для получения электроэнергии, подогрева приточного воздуха в системах вентиляции с рекуперацией, и может быть применено в составе наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений, авиационной, машиностроительной технике и иных приложениях отраслей промышленности, эксплуатируемых в условиях низких температур при наличии внутреннего теплового источника.
Известен тепловой аккумулятор фазового перехода для разогрева двигателей внутреннего сгорания, состоящий из наружного и внутреннего корпусов, между которыми установлен слой тепловой изоляции в виде минеральной или шлаковой ваты или вакуума. Внутри корпуса расположены два теплообменника: газовый, соединенный с системой выхлопа отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, и жидкостной, соединенный с зарубашечным пространством двигателя внутреннего сгорания, а между теплообменниками в полости внутреннего корпуса находится теплоаккумулирующий материал, способный претерпевать обратимое полиморфное превращение (патент RU 2150603 С1, МПК F02N 17/00, дата приоритета 01.12.1998, дата публикации 10.06.2000, авторы: Шульгин В.В. и др.).
Недостатком аналога является то, что для функционирования теплового аккумулятора фазового перехода требуется принудительная циркуляция жидкого теплоносителя.
Известен тепловой аккумулятор энергии, аккумулирующий солнечную энергию в подземном резервуаре для последующего использования теплоты для отопления и горячего водоснабжения, содержащий теплообменник, представляющий собой спиральный трубопровод, заполненный минеральным или синтетическим маслом в качестве теплоносителя, находящийся в резервуаре, заполненном уложенным вразброс теплоаккумулирующим материалом в виде каменной породы, негорючих твердых отходов. Теплообменник подключен зарядной стороной к солнечным коллекторам, а разрядной стороной к паросиловой части солнечной электростанции (патент RU 2027119 C1, F24H 7/00, дата приоритета 27.07.1992, дата публикации 20.01.1995, авторы: Айрапетян С.А. и др.).
Недостатками аналога являются: сезонный характер использования и большой расход масла в качестве теплоносителя.
Известен тепловой аккумулятор фазового перехода для обогрева двигателя внутреннего сгорания, содержащий теплоизолированный вакуумированный цилиндрический корпус со съемной крышкой, имеющий входное и выходное отверстия с запрессованными в них впускной и выпускной трубами, капсулы, заполненные изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим материалом, выполненные из коаксиально расположенных цилиндров с образованием между ними кольцевых зазоров для прохода жидкого теплоносителя. Аккумулятор снабжен устройством электроподогрева с саморегулирующимися нагревательными элементами на позисторной керамике, работающим от внешнего источника питания или от электрической сети машины при выключенном двигателе (патент RU 2506503 C1, F24H 7/00, дата приоритета 24.10.2012, дата публикации 10.02.2014, авторы: Бублий С.А. и др.).
Недостатком известного аналога является невозможность поддержания в течение длительного промежутка времени требуемой температуры теплоносителя при неработающем двигателе внутреннего сгорания в условиях низких температур окружающей среды.
В качестве прототипа принят тепловой накопитель для низкотемпературной эксплуатации аккумуляторных батарей, выполненный в виде комплекта, состоящего из прижимного температурного датчика, установленного на корпусе аккумулятора и теплоаккумулирующего герметичного пластикового модуля прямоугольной формы с наполнителем из парафина и дробленного до фракции в 2-3 мм известково-натриевого стекла, в который встроен методом вклеивания ленточный нагревательный элемент. В ходе эксплуатации автомобиля в низкотемпературный период при включенном магнитном пускателе электрический ток подается на контактные зажимы ленточного нагревателя через систему электроснабжения, а при выключенном двигателе при снижении температуры корпуса аккумулятора до -5°С предусматривается подключение ленточного нагревательного элемента напрямую от аккумуляторной батареи (патент RU 2762041 С1, МПК Н01М 10/60, дата приоритета 10.03.2021, дата публикации 15.12.2021, авторы: Кузнецов Е.Е. и др.).
Недостатком прототипа является то, что при длительном перерыве между запуском двигателя в условиях низких температур имеющийся заряд аккумуляторной батареи затрачивается на нагрев ленточного нагревательного элемента, что при отсутствии подзарядки аккумулятора от электроснабжения автомобиля влияет на падение емкости аккумуляторной батареи и, как следствие, приводит к полному разряду аккумулятора.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является создание теплоаккумулирующего модуля-теплообменника с расширенными функциональными возможностями, осуществляющего генерирование электрической энергии и тепломассоперенос от теплового источника к объекту внешней среды.
В части генерирования электрической энергии известно, что при воздействии на противоположные плоскости термоэлектрического элемента Пельтье возникает электродвижущая сила - вырабатывается электрический ток, данный феномен известен как эффект Зеебека. Известно также, что при пропускании электрического тока через термоэлектрический элемент Пельтье возникает разница температур на противоположных сторонах данного элемента: одна сторона охлаждается, а вторая нагревается. Таким образом, для получения электрической энергии, генерируемой термоэлектрическим элементом Пельтье необходимо одну сторону элемента охладить, а вторую нагреть. В качестве охладителя целесообразно использовать естественные воздушные среды, имеющие низкие температуры, а в качестве нагревателя допустимо применение любого теплового источника без наличия открытого источника огня, работающего в диапазоне допустимых температур для конкретного термоэлектрического элемента.
Первоочередной технической задачей теплоаккумулирующего модуля теплоаккумулирующего модуля-теплообменника является нагрев термоэлектрического элемента Пельтье путем передачи необходимого количества теплоты от теплового источника на нагреваемую сторону термоэлектрического элемента Пельтье, а также аккумулирование тепловой энергии и поддержание оптимальной рабочей температуры на внутренней нагреваемой поверхности термоэлектрического элемента Пельтье на протяжении длительного периода времени для генерирования электрической энергии.
Второстепенной технической задачей теплоаккумулирующего модуля-теплообменника является подогрев приточного воздуха в системах вентиляции с рекуперацией.
Основные технические и эксплуатационные характеристики теплоаккумулирующего модуля-теплообменника определены из условий простоты и надежности конструкции, химической устойчивости материалов к коррозии и обеспечения многократных циклов перезарядки.
Для решения технической проблемы и достижения технического результата предложен теплоаккумулирующий модуль-теплообменник, содержащий трубчатый корпус прямоугольного сечения с торцевыми стенками на концах, заполненный теплоаккумулирующим составом из материала с изменяющимся фазовым состоянием на основе парафинов и теплопроводного заполнителя, внутри которого в продольном направлении встроен нагревательный элемент. Новым является то, что корпус выполнен металлическим и дополнительно снабжен термоэлектрическим элементом Пельтье, образующим торцевую стенку с одного конца корпуса, к которому элемент Пельтье прикреплен по периметру с помощью теплопроводного клеевого соединения нагреваемой поверхностью, обращенной в сторону теплоаккумулирующего состава, в котором в качестве нагревательного элемента расположен U-образный патрубок, предназначенный для протекания в нем нагретого воздуха в качестве теплоносителя, при этом концы U-образного патрубка объединены методом спайки с противоположной торцевой стенкой корпуса, являющейся пластиной нагрева, снабженной двумя отверстиями разного диаметра, расположенными соосно отверстиям U-образного патрубка, входящее из которых выполнено меньшего диаметра, при этом входящее и выходящее отверстия пластины нагрева сообщены с соответствующими им проточными пазами, выполненными со стороны теплового источника, кроме того боковые грани корпуса защищены теплоизоляцией, а в одной из них установлен компенсационный клапан давления.
Согласно изобретению, теплоаккумулирующий модуль-теплообменник заполнен теплоаккумулирующим составом в пределах от 80% до 85% от объема занимаемого им пространства в корпусе в твердом состоянии, причем теплоаккумулирующий состав включает парафин с изменяющимся фазовым состоянием при температуре от 42°С до 44°С и заполнитель в виде графитовой крошки фракции 1-2 мм в соотношении от 100/5 до 100/10 по массе твердого вещества.
Согласно изобретению, корпус, пластина нагрева и U-образный патрубок выполнены из высокотеплопроводного алюминиевого сплава.
Согласно изобретению, входное и выходное отверстия пластины нагрева выполнены в соотношении диаметров, обеспечивающих тягу для движения воздуха в U-образном патрубке.
Согласно изобретению, теплоизоляция корпуса выполнена из вспененного каучука. Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен теплоаккумулирующий модуль-теплообменник, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3- вид Б на фиг.1; на фиг.4 - сечение В-В на фиг.3 торцевой пластины нагрева в уровне проточного паза малого диаметра; на фиг.5 - сечение Г-Г на фиг.3 торцевой пластины нагрева в уровне проточного паза большего диаметра; на фиг.6 - узел Д на фиг.1, представляющий узел установки термоэлектрического элемента Пельтье к торцу корпуса посредством теплопроводного температуростойкого клея нагреваемой поверхностью в сторону теплоаккумулирующего состава.
На чертежах приведены следующие обозначения:
1 - корпус теплоаккумулирующего модуля-теплообменника из алюминиевой трубы квадратного сечения 40×40 мм;
2 - теплоаккумулирующий материал с изменяющимся фазовым состоянием на основе парафинов с температурой плавления в диапазоне от 42°С до 44°С;
3 - наполнитель в виде графитовой крошки диаметром 1-2 мм;
4 - алюминиевая квадратная пластина нагрева со стороной 40 мм;
5 - U-образный патрубок-теплообменник из алюминиевой трубки 0 8 мм;
6 - термоэлектрический элемент Пельтье габаритами 40×40 мм;
7 - теплопроводный температуростойкий клей;
8 - эффективная теплоизоляция из вспененного каучука;
9 - паз малый в пластине нагрева;
10 - паз большой в пластине нагрева;
11 - компенсационный клапан давления.
Изображенный на фиг.1 теплоаккумулирующий модуль-теплообменник содержит корпус 1, выполненный в виде квадратной алюминиевой трубки 1, заполненной теплоаккумулирующим материалом с изменяющимся фазовым состоянием 2 с наполнителем из графитовой крошки 3 и с одной стороны заглушенной алюминиевой пластиной нагрева 4, совмещенной с U-образным патрубком 5 для обеспечения конвективного тепломассообмена. С противоположной стороны корпуса установлен термоэлектрический элемент Пельтье 6 к торцу корпуса посредством теплопроводного клея 7 нагреваемой поверхностью в сторону теплоаккумулирующего состава 2, 3, что можно наблюдать на фиг.6. Продольные грани корпуса защищены высокоэффективной изоляцией из вспененного каучука 8. В торцевой пластине нагрева 4 предусмотрены два отверстия разного диаметра, являющиеся входным и выходным, устраиваемые соосно отверстиям U-образного патрубка 5.
Как указано на фиг.3 для обеспечения притока и циркуляции нагретого воздуха в полости U-образного патрубка 5 в торцевой пластине нагрева 4 выполнены проточные пазы 9, 10 с соответствующими размерами, указанными на фиг.4 и на фиг.5, причем входное и выходное отверстия сообщены с отверстиями U-образного патрубка 5. U-образный патрубок 5 соединен с торцевой пластиной нагрева 4 методом спайки.
Для регулирования рабочего давления в корпусе в непосредственной близости от термоэлектрического элемента Пельтье 6 установлен компенсационный клапан давления 11.
Принцип работы теплоаккумулирующего модуля-теплообменника заключается в нагреве теплоаккумулирующего материала 2 с изменяющимся фазовым состоянием до температуры, при которой материал будет находиться в жидком агрегатном состоянии во всей заполненной полости корпуса 1.
Теплоаккумулирующий модуль-теплообменник работает следующим образом.
Теплоаккумулирующий модуль устанавливается в тело ограждающей конструкции, отделяющей холодную среду от теплой, либо на границе двух сред, обеспечивающих требуемый диапазон градиента температур от 70°С до 100°С, при этом данной конструкцией могут являться: наружная стена здания, корпус авиационной, машиностроительной техники, ограждающие конструкции помещений и сооружений с повышенным выделением теплоты, также выхлопные системы отработанных газов и др. На этапе подготовки к работе теплоаккумулирующего модуля - теплообменника подводимое тепло разогревает стенки корпуса 1, полость которого заполнена теплоаккумулирующим материалом с изменяющимся фазовым состоянием 2 с заполнителем в виде графитовой крошки 3 фракции 1-2 мм через пластину нагрева 4, спаянную с U-образным патрубком 5, через который протекает нагретый воздух, совершая теплообмен с теплоаккумулирующим составом 2, 3 через стенки U-образного патрубка, являющегося теплообменником.
Желаемый эффект по генерированию электрической энергии термоэлектрическим элементом Пельтье 6 достигается по мере нагрева теплоаккумулирующего состава 2, 3 до температуры плавления в диапазоне от 42°С до 44°С и дальнейшего повышения температуры до 55°С - 65°С, достигаемой на внутренней нагреваемой поверхности термоэлектрического элемента Пельтье 6, что соответствует температуре от 70°С до 80°С на поверхности пластины нагрева 4 соответственно при условии, что наружная поверхность термоэлектрического элемента Пельтье имеет воздушный контакт с холодной средой.
Первоочередной технический результат достигается за счет применения в конструкции элементов теплообменника 4, 5 из высокотеплопроводных алюминиевых сплавов, встроенных в алюминиевый корпус 1, защищенный по наружному периметру слоем эффективной тепловой изоляции 8 из вспененного каучука, препятствующей рассеиванию теплового потока в окружающую среду.
Высокая аккумулирующая способность теплоаккумулирующего модуля-теплообменника обеспечивается за счет теплоаккумулирующего материала с изменяющимся фазовым состоянием 2 на основе парафинов с температурой плавления в диапазоне от 42°С до 44°С с заполнителем в виде графитовой крошки 3 фракции 1 -2 мм в соотношении от 100/5 до 100/10 по массе твердого вещества, установленном экспериментальным путем.
Эффективный теплообмен между теплообменниками 1-3 и термоэлектрическим элементом Пельтье 6 достигается за счет непосредственного соприкосновения нагреваемой плоскости термоэлектрического элемента Пельтье 6 с торцом корпуса 1, закрепленного по периметру стыка посредством теплопроводного клея 7 и непосредственного соприкосновения с теплоаккумулирующим составом 2, 3, заполняющим в жидком агрегатном состоянии весь объем корпуса 1 теплоаккумулирующего модуля - теплообменника.
Теплоаккумулирующий состав 2, 3 с изменяющимся фазовым состоянием, заполненный в полость корпуса 1 с погруженным в него U-образным патрубком-теплообменником с теплоносителем в виде нагретого воздуха, протекающего за счет перепада давления на входящем и выходящем отверстиях, имеющих разные диаметры и поперечные сечения пазовой проходки 9, 10 соответственно, позволяет аккумулировать большое количество тепловой энергии в пределах от 173 до 189 кДж/кг и ускоряет процесс нагрева теплоаккумулирующего состава до рабочей температуры, соответствующей температуре плавления данного теплоаккумулирующего состава, который далее сопровождается повышением энтальпии вещества, стремящейся к температуре источника тепла в диапазоне температур от 50°С до 80°С без наличия открытого источника огня.
Решение второстепенной задачи решается в отдельности или совместно с первоочередной задачей по двум направлениям:
посредством подключения нагревательного элемента к выводам термоэлектрического элемента Пельтье 6 для преобразования электрической энергии в тепловую, направленную на подогрев приточного воздуха в системах вентиляции с рекуперацией;
- посредством локального оголения теплоизоляционного слоя 8 с внешней стороны корпуса на заданном участке (не превышающем 12% от общей поверхностной площади), обращенного в сторону подсоединяемого теплового приемника.
В целом теплоаккумулирующий модуль - теплообменник обладает простотой конструкции и надежностью, обусловленной жесткостью самого корпуса и наличием компенсационного клапана, снижающего давление на торцевые стенки модуля вследствие теплового расширения теплоаккумулирующего состава. Коррозионная стойкость обеспечивается за счет применения качественных алюминиевых сплавов и контактных материалов, не поддерживающих коррозию и химически нейтрального теплоаккумулирующего состава.
Предусмотрена эксплуатация теплоаккумулирующего модуля в виде одиночного элемента, либо в виде наборных элементов, состыкованных вплотную друг к другу как по вертикали, так и по горизонтали без разрыва, таким образом, чтобы воздушный клапан давления оставался снаружи, и был обращен в сторону теплоизоляционного слоя.