АККУМУЛЯТОР ТЕПЛОТЫ С ФАЗОПЕРЕХОДНЫМ МАТЕРИАЛОМ
HEAT ACCUMULATOR WITH PHASE TRANSITION MATERIAL

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для аккумулирования тепловой энергии, преимущественно солнечной и ветровой.
Известен высокотемпературный аккумуляторный нагреватель [1], содержащий корпус, снабженный со стороны его внутренней поверхности слоем теплоизоляции, в котором соосно корпусу размещен теплоаккумулирующий элемент, снабженный кожухом. Теплоаккумулирующий элемент выполнен в виде блока из параллельных рядов полых цилиндров, заполненных веществом, изменяющим свое агрегатное состояние в интервале рабочих температур, причем цилиндры установлены в овальных отверстиях, выполненных в кожухе, и расположены в каждом ряду параллельно и перпендикулярно относительно цилиндров смежных рядов. Разогрев высокотемпературного аккумуляторного нагревателя может производиться как горячим газом, так и электрическим нагревателем. В первом случае через кожух пропускается горячий газ до тех пор, пока не расплавится вещество, которым заполнены теплоаккумулирующие элементы, после чего разогрев прекращается и производится продувка нагревателя нагреваемым газом. При разогреве аккумуляторного нагревателя с помощью электричества в кожух помещают электронагреватели, тепло от которых расплавляет вещество в теплоаккумулирующих элементах.
Недостатком данного нагревателя является неэффективное использование фазопереходных теплоаккумулирующих материалов для аккумулирования тепла из-за низкой теплопроводности твердых фазопереходных материалов в большом объеме бака и низкого теплообмена с теплоносителем по всему объему и необходимость периодического снятия и установки электронагревателя при разогреве нагревателя с помощью электричества.
Известна установка для осуществления способа работы аккумулятора теплоты на фазовом переходе [2]. Установка состоит из вертикального кожухотрубного теплообменника, имеющего в нижней части входную камеру и трубную доску, в которой укреплены, например, четыре группы трубок, причем последние выходят соответственно в четыре выпускных камеры, каждая из которых имеет на выходе в сеть запорное устройство, соответственно. Между трубной доской и камерой расположено межтрубное пространство. Для четырех групп трубки расположены таким образом, что вокруг каждой из трубок одной группы расположены трубки трех других групп по вершинам правильного шестиугольника.
Недостаток такого устройства и способа теплового аккумулирования на фазовом переходе заключается в том, что теплопередача осуществляется в определенной последовательности, которую трудно осуществлять автоматически, а если вручную, то это не удобно.
Наиболее близким к заявляемому является электронагреватель [3], который содержит корпус, разделенный поперечной перфорированной перегородкой на верхнюю и нижнюю камеры, первая из которых снабжена патрубком подвода нагреваемого теплоносителя, а последняя заполнена теплоаккумулирующим веществом с фазовым переходом в зоне рабочих температур и снабжена электронагревательным элементом. Электронагреватель снабжен дополнительной поперечной перегородкой, размещенной в верхней камере с образованием между дополнительной и перфорированной перегородками полости, объем которой равен разности объемов теплоаккумулирующего вещества в твердом и жидком состоянии при температуре плавления вещества. Электронагревательный элемент одним своим концом (нижним) электрически подключен к поперечной перфорированной перегородке, которая выполнена металлической, а боковые стенки корпуса и теплоаккумулирующее вещество выполнены из электроизоляционного материала. Корпус снизу заглушен герметичной пробкой с резьбовым соединением, и сверху - крышкой. К перегородке подключена контактная клемма. В нижней части корпуса находится вторая контактная клемма. Электронагревательный элемент снабжен центральным металлическим основанием, электрически и механически соединенным с перегородкой. К основанию подключен верхний конец электронагревательного элемента. Электронагреватель снабжен воздушником. Для отвода воды служит патрубок. В отопительную систему электронагреватели могут быть включены как в номинальном своем положении, так и повернутыми на 180° относительно своей горизонтальной оси. Соединение электронагревателей осуществлено трубами с помощью соединительных муфт. Электрическое соединение электронагревателей осуществлено резьбовыми муфтами.
Недостатком данного электронагревателя является сложность конструкции, наличие промежуточной камеры, неэффективный теплообмен между фазопереходным теплоаккумулирующим материалом (ФТАМ) и потребителем (помещением) и невозможность его использования для аккумулирования солнечной тепловой энергии напрямую.
Задача изобретения - обеспечение стабильности теплоснабжения зданий от возобновляемых источников энергии за счет использования энергоемких фазовых переходов материалов и повышения теплообмена.
Технический результат, достигаемый в заявляемом изобретении, заключается в повышении эффективности аккумулирования тепла и теплообмена с теплоносителем системы за счет увеличения и равномерного расположения площади поверхности теплообмена по всему объему бака-аккумулятора и возможности использования ее для аккумулирования солнечной тепловой энергии и электроэнергии от ветроэнергетических устройств.
Для достижения этого технического результата корпус аккумулятора теплоты с фазопереходным материалом дополнительно содержит промежуточную крышку и приемник солнечного излучения, поверхность теплообмена состоит из вертикальных трубок, расположенных внутри во всем объеме бака-аккумулятора и заполненных материалом с фазовым переходом, при этом в вертикальных трубках установлены электронагревательные элементы, причем теплоноситель проходит снизу вверх по межтрубному пространству, а сверху над промежуточной и герметичной крышкой расположена свободная полость, выполняющая роль камеры для расширения фазопереходного материала, а дно бака-аккумулятора выполнено приемником солнечного излучения.
Предлагаемый аккумулятор теплоты с фазопереходным материалом иллюстрирован на фигурах 1-4, где фиг.1 - основной вид аккумулятора теплоты с фазопереходным материалом (продольный разрез), фиг.2 - поперечный разрез А-А, фиг.3 - вид сверху промежуточной крышки бака-аккумулятора и фиг.4 - крепление электронагревателя; где 1 - корпус; 2 - рабочее вещество (фазопереходный теплоаккумулирующий материал - ФТАМ); 3 - вертикальные трубки; 4 - дно бака-аккумулятора - приемник солнечного излучения; 5 - промежуточная крышка; 6 - отверстия для пропуска вертикальных трубок; 7 - отверстия для крепежных болтов; 8 - крепежные болты; 9 - полость-камера для расширения ФТАМ; 10 - герметичная крышка бака-аккумулятора; 11, 12 - патрубки подвода и отвода теплоносителя, соответственно; 13 - электронагревательные элементы; 14 - резьбовая обойма; 15 - перемычки крепления резьбовой обоймы с электронагревательным элементом к вертикальной трубке.
Аккумулятор теплоты с фазопереходным материалом содержит корпус 1, рабочее вещество (ФТАМ) 2, заполняющее вертикальные трубки 3, которые крепятся ко дну 4, которое может служить также и приемником концентрированного солнечного излучения (СИ), и промежуточной крышке 5 с отверстиями 6 для пропуска трубок и 7 для крепежных болтов 8, снизу трубки закрыты, а сверху открыты для объемного расширения ФТАМ 2 в свободную полость-камеру 9 под герметичной крышкой 10, которая через уплотнители крепится к основному корпусу бака-аккумулятора гайками и болтами 8. К корпусу бака-аккумулятора 1 привариваются патрубки подвода 11 и отвода 12 теплоносителя. В вертикальные трубки 3 с ФТАМ вставляются электронагревательные элементы 13, которые соединяются электропроводами к источнику электрической энергии, например ветроэнергетической установке. Электронагревательные элементы 13 вкручиваются в резьбовую обойму 14, которая крепится к вертикальным трубкам 3 с ФТАМ перемычками 15.
Аккумулятор теплоты с фазопереходным материалом работает следующим образом.
Снимают крышку 10 аккумулятора теплоты, и заполняют трубки 3 фазопереходным теплоаккумулирующим материалом 2, и крышку закрывают. Зарядка аккумулятора с фазопереходным материалом теплоты происходит за счет солнечной энергии, направляемой зеркалами на дно 4 бака-аккумулятора - приемника СИ, при этом из-за большой теплопроводности стали трубок 3 и кожуха электронагревательных элементов 13, происходит интенсивное плавление рабочего вещества 2 в них, объемное расширение рабочего вещества происходит в свободную полость-камеру 9 под герметичной крышкой 10. Зарядка может происходить и за счет электрической энергии при подключении источника к электронагревательным элементам 13 в вертикальных трубках 3 с ФТАМ 2, тогда же и греется теплоноситель в межтрубном пространстве бака-аккумулятора, которая подается снизу через патрубок 11 подвода теплоносителя и отводится через патрубок 12 отвода. Если аккумулятор теплоты с фазопереходным материалом используется в традиционных системах теплоснабжения на органическом топливе, рабочее вещество плавится, (аккумулятор заряжается) за счет теплоносителя (горячей воды) в межтрубном пространстве. Во время повышения тепловой нагрузки или отсутствия солнечной энергии аккумулятор разряжается, и теплоноситель в межтрубном пространстве бака-аккумулятора нагревается за счет фазового перехода (кристаллизации) рабочего вещества 2 в трубках 3 равномерно во всем объеме бака-аккумулятора. Кожухи электронагревательных элементов, установленных в вертикальные трубки с ФТАМ, и при отсутствии электрической энергии выполняют роль теплообменников.
Таким образом, предлагаемый аккумулятор теплоты с фазопереходным материалом прост в обслуживании, отличается от известных высокой эффективностью аккумулирования тепла и теплообмена с теплоносителем системы за счет расположения электронагревательных элементов, увеличения и равномерного расположения площади поверхности теплообмена по всему объему бака-аккумулятора.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
1. Г.И. Бабаянц, П.П. Кузнецов, А.И. Дементьев, В.М. Ярославцев, Г.С. Козак. «Высокотемпературный аккумуляторный нагреватель», авторское свидетельство №857656, F24И 7/00, F28D 17/00, бюл. №31, 23.08.81.
2. Б.З. Токарь, А.А. Плотников, Э.В. Котенко. «Способ работы аккумулятора теплоты на фазовом переходе», авторское свидетельство №RU 2049968 C1, F24H 7/00, 24.02.1992.
3. И.П. Колесниченко, В.В. Фокин. «Электронагреватель», авторское свидетельство № SU 1688071 А1, F24H 7/00, 1/20, бюл. №40, 30.10.91.