ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР С РЕГУЛИРУЕМЫМ ОТБОРОМ ТЕПЛА

Полезная модель относится к системам отопления для жилых и других зданий, состоящие их автономных подогревателей, например тепловых аккумуляторов.
Альтернативные источники тепловой энергии не могут работать в стационарном режиме. Поэтому перспективно, например, ночью аккумулировать тепловую энергию, а днем, в часы "пик" - ее использовать. В результате "сглаживаются" пульсации тепловой энергии, как при ее производстве, так и при генерировании. Для этой цели могут быть использованы, например, тепловые аккумуляторы.
Известен тепловой аккумулятор (заявка на изобретение №94019250, МПК F28D 20/00, приоритет 12.05.1994 г.) Предлагаемый тепловой аккумулятор содержит наружный корпус, внутри которого размещен внутренний корпус, заполненный теплоаккумулирующим элементом Пространство между внутренним и наружным корпусом образует изолированную полость с пониженным давлением. Через стенки наружного корпуса, изолированную полость и стенки внутреннего корпуса проходит трубопровод для циркуляции теплонесущей среды, имеющий входной конец и выходной конец, а также дополнительная трубка для прохода отработавших газов, имеющая входной конец и выходной конец, внутренние полости которых образуют во внутреннем корпусе, заполненным теплоаккумулирующим элементом (наполнителем), каналы. Канал имеет соответственно входной конец трубопровода и выходной конец. Канал имеет соответственно входной конец и выходной конец дополнительной трубки.
К недостаткам указанного теплового аккумулятора следует отнести то, что его конструкция позволяет накапливать и расходовать тепловую энергию, но не обеспечивает регулируемый отбор тепловой энергии.
Известен тепловой аккумулятор, реализующий способ регулируемого отбора тепла от теплового аккумулятора с помощью тепловой трубы (заявка на изобретение №2007143856, МПК F24D 15/00 с приоритетом от 26.11.207 г.). Тепловой аккумулятор содержит корпус (тело) и тепловую трубу, расположенную в канале в теле теплового аккумулятора. Тепловая труба выполнена с возможностью перемещения вглубь корпуса теплового аккумулятора по мере его охлаждения.
Недостатком известного теплового аккумулятора является конструктивная (технологическая) сложность регулирования отбора тепла т.к. отбор тепла осуществляется за счет перемещения тепловой трубы вглубь корпуса.
Известен также вариант конструкции теплового аккумулятора с тепловыми трубами («Традиционное и альтернативное теплоснабжение объектов малой тепловой мощности» сайт http://www.truba.ua, журнал «Отопление, водоснабжение, вентиляция, кондиционирование» №1 2005 г.). Тепловой аккумулятор содержит корпус с зернистой матрицей, подводящую и отводящую тепловые трубы, коллектор (трубопровод) с нагреваемой средой и коллектор (трубопровод) с греющей средой.
Данный тепловой аккумулятор является наиболее близким к заявляемому техническому решению и принят за прототип.
Конструкция данного теплового аккумулятора с тепловыми трубами позволяет более эффективно использовать накопленную тепловую энергию, при этом тепловые трубы используют в качестве теплообменных поверхностей. Однако, данная конструкция теплового аккумулятора не обеспечивает регулируемый отбор тепловой энергии.
В основу полезной модели поставлена задача разработать конструкцию теплового аккумулятора, которая позволяет производить регулируемый отбор тепла, обеспечивая при этом простоту компоновки, надежность и стабильность работы.
Поставленная задача решается тем, что тепловой аккумулятор с регулируемым отбором тепла содержит корпус, размещенный между трубопроводом нагреваемой среды и трубопроводом греющей среды и заполнен теплоаккумулирующим материалом. В корпусе теплового аккумулятора размещены попарно тепловые трубы и датчики температуры. На трубопроводах греющей и нагреваемой сред установлены датчики температуры и расходомеры. По торцам корпуса теплового аккумулятора установлено ультразвуковое устройство, состоящее из источника (генератора) излучения и приемника. Тепловой аккумулятор дополнительно снабжен вычислительным устройством, содержащим соединенные между собой микропроцессор, программатор режима работы теплового аккумулятора, широтно-импульсный модулятор и преобразователь, при этом входы вычислительного устройства через преобразователь соединены с выходами датчиков температуры, выходами расходомеров и выходом приемника ультразвукового устройства.
Тепловая труба выполнена в виде цилиндрического корпуса, в торцах которого установлены сетчатые мембраны, вложенные в диэлектрические вкладыши, закрепленные на стенках корпуса, а внутреннее пространство корпуса тепловой трубы заполнено капиллярно-пористым материалом. Тепловой аккумулятор дополнительно снабжен источником знакопеременного напряжения, который своим входом соединен с выходом вычислительного устройства через широтно-импульсный модулятор, а выходы источника знакопеременного напряжения соединены с сетчатыми мембранами тепловой трубы. Источник знакопеременного напряжения выполнен на основе выпрямительного устройства и реле. Кроме того, для визуального контроля запасенной и отдаваемой тепловой энергии и режимов работы вычислительное устройство дополнительно снабжено дисплеем.
В заявленном тепловом аккумуляторе с регулируемым отбором тепла общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:
- корпус, размещенный между трубопроводом нагреваемой среды и трубопроводом греющей среды и заполненный теплоаккумулирующим материалом;
- тепловые трубы, расположенные в корпусе теплового аккумулятора. Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного теплового аккумулятора с регулируемым отбором тепла и прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:
- тепловые трубы размещены в корпусе теплового аккумулятора попарно;
- в корпусе установлены датчики температуры;
- на трубопроводах нагреваемой среды и греющей среды установлены датчики температуры и расходомеры;
- по торцам корпуса теплового аккумулятора установлено ультразвуковое устройство, состоящее из источника излучения и приемника;
- вычислительное устройство, содержащее соединенные между собой микропроцессор, программатор режима работы теплового аккумулятора, преобразователь и широтно-импульсный модулятор, при этом входы вычислительного устройства через преобразователь соединены с выходами датчиков температуры, выходами расходомеров и выходом приемника ультразвукового устройства;
- тепловая труба выполнена в виде цилиндрического корпуса, в торцах которого установлены сетчатые мембраны, вложенные в диэлектрические вкладыши, закрепленные на стенках корпуса, а внутреннее пространство корпуса тепловой трубы заполнено капиллярно-пористым материалом;
- источник знакопеременного напряжения, который своим входом соединен с выходом вычислительного устройства через широтно-импульсный модулятор, а его выходы соединены с сетчатыми мембранами тепловой трубы.
Данная совокупность общих и отличительных существенных признаков обеспечивает получение технического результата.
На основе изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленной полезной модели имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 показана функциональная схема теплового аккумулятора с регулируемым отбором тепла с помощью управляемых тепловых труб; на фиг.2 - конструкция тепловой трубы с электростатическим наведением зарядов в электрическом поле сетчатых мембран, осуществляющих управлением отбора тепловой энергии; на фиг.3 - блок-схема вычислительного устройства; фиг.4 - функциональная схема источника знакопеременного напряжения; фиг.5 - временная диаграмма работы источника знакопеременного напряжения.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - корпус теплового аккумулятора
2 - трубопровод нагреваемой среды
3 - трубопровод греющей среды
4 - теплоаккумулирующий материал
5 - тепловая труба
6 - датчики температуры
7, 8 - датчики расходомеров греющей и нагреваемой среды
9 - датчики температур греющей и нагреваемой среды
10 - источник (генератор) ультразвукового устройства (УЗУ)
11 - приемник ультразвукового устройства
12 - вычислительное устройство (ВУ)
13 - корпус тепловой трубы
14 - сетчатая мембрана тепловой трубы
15 - капиллярно-пористый материал
16 - источник знакопеременного напряжения
17 - диэлектрический вкладыш
18 - микропроцессор ВУ
19 - программатор режима работы теплового аккумулятора
20 - преобразователь ВУ
21 - широтно-импульсный модулятор ВУ
22 - дисплей
23 - выпрямительное устройство
24 - реле.
Тепловой аккумулятор с регулируемым отбором тепла содержит корпус 1, размещенный между трубопроводом 2 нагреваемой среды и трубопроводом 3 греющей среды и заполненный теплоаккумулирующим материалом 4. В корпусе 1 теплового аккумулятора размещены попарно тепловые трубы 5 и датчики 6 температуры. На трубопроводах 2 и 3 также установлены датчики 9 температуры. На трубопроводах 2 и 3 установлены датчики расходомеров 7 и 8 соответственно. По торцам корпуса 1 теплового аккумулятора установлено ультразвуковое устройство, состоящее из источника (генератора) излучения 10 и приемника 11. Тепловой аккумулятор снабжен вычислительным устройством 12, входы которого соединены с выходами датчиков 6, 9 температуры, выходами расходомеров 7, 8 и выходом приемника 10 ультразвукового устройства. Тепловая труба 5 выполнена в виде цилиндрического корпуса 13, в торцах которого установлены сетчатые мембраны 14, вложенные в диэлектрические вкладыши 17, причем в верхней части корпуса установлена одна сетчатая мембрана, а в нижней части две. Внутреннее пространство корпуса тепловой трубы 5 заполнено капиллярно-пористым материалом 15. Конструкция капиллярно пористого материала реализована в виде плетеной сетки, выполненной из медной проволоки с различными размерами ячеек имеющая несколько слоев. Слой, имеющий меньший размер ячеек находится на поверхности внутренней стенки трубы с целью увеличения теплообмена и уменьшением гидросопротивления, у последующих слоев размер ячеек увеличивается. Тепловой аккумулятор снабжен источником знакопеременного напряжения 16, который своим входом соединен с выходом вычислительного устройства 12. Выходы источника знакопеременного напряжения соединены с сетчатыми мембранами 14 тепловой трубы 5. Вычислительное устройство содержит соединенные между собой микропроцессор 18, программатор режима работы теплового аккумулятора 19, преобразователь (входное устройство) 20, широтно-импульсный модулятор 21, формирующий управляющее воздействие на источник знакопеременного напряжения 16. Для визуального контроля запасенной и отдаваемой тепловой энергии и режимов работы вычислительное устройство 12 дополнительно снабжено дисплеем 22. При этом вход преобразователя 20 соединен с выходами датчиков температуры 6,9, расходомеров 7,8 и приемника 11 УЗУ, входы микропроцессора 18 соединены с выходами преобразователя 20 и программатора 19 режима работы теплового аккумулятора, выходы микропроцессора 18 соединены с входами дисплея 22 и широтно-импульсного модулятора, выход которого соединен с входом источника 16 знакопеременного напряжения. Источник 16 знакопеременного напряжения содержит выпрямительное устройство 23 и реле 24.
Вычислительное устройство 12 выполнено на основе приборов Российского производства фирмы "OWEN".
В качестве сетчатой мембраны используется медная сетка, в качестве капиллярно-пористого материала - плетеная медная проволока с различными размерами ячеек в несколько слоев, в качестве теплоаккумулирующего материала используется парафины. Температура плавления большинства которых в зависимости от сорта лежит в диапазоне 40…65°С. Температура плавления в районе 50…54°С характерна для высокоочищенных парафинов, в сочетании с высокой теплотой фазового перехода (немногим более 200 кДж/кг), что очень хорошо подходит для теплового аккумулятора, рассчитанного на обеспечение горячего водоснабжения и водяного отопления, проблема лишь в высокой цене парафина.
Баланс энергии для системы аккумулирования теплоты в процессе теплоаккумулирования в общем виде можно записать:
где: Qвх - подведенная энергия;
Qвых - отведенная энергия;
Qак - аккумулированная тепловая энергия.
Количество аккумулированной теплоты при отсутствии фазовых переходов теплоаккумулирующего материала (ТАМ) равно:
где: m - масса ТАМ, кг;
Ср - удельная теплоемкость ТАМ, Дж/(кг·°С);
1
2
t, t - температуры ТАМ до и после накопления тепловой энергии тепловым аккумулятором.
Тепловой аккумулятор с регулируемым отбором тепла работает следующим образом.
Регулирование отбора тепловой энергии, накопленной в корпусе 1 теплового аккумулятора и подаваемой потребителю, осуществляется тепловой трубой 5 в зависимости от заданного расхода (фиг.1). В зону испарения, которая находится в нижней части цилиндрического корпуса тепловой трубы 5, подводится тепло, посредством которого происходит испарения рабочей жидкости (дистиллированная вода 80%, метиловый спирт 15%, ацетон 5%). Управление отпуском тепла производится посредством подачи от источника знакопеременного напряжения 16 электрического напряжения на сетчатые мембраны 14, при этом изменяется количество паров, проходящих через капиллярно - пористый материал 15 (фиг.2). Управляющее знакопеременное электрическое напряжение формируется в источнике знакопеременного напряжения 16 (фиг.4).
Принцип работы управляемой тепловой трубы заключается в воздействии электрического поля создаваемого системой сетчатых мембран 14 на паровую фазу рабочей жидкости в зоне испарения и конденсации.
Сетчатая мембрана 14 по конструкции представляет двух электродную систему.
Выпрямительное устройство 23 (фиг.4) производит преобразование энергии источника переменного напряжения 220 В в выпрямленное напряжение 30 В. Выпрямленное напряжение гальванически развязано с питающей сетью посредством трансформатора для повышения электробезопасности. Электромагнитное реле 24 осуществляет коммутацию напряжения, подаваемое на сетчатые мембраны 14.
В режиме отбора тепловой энергии обмотка реле 24 обесточена (фиг.3), контакты 1Р1 находится в положении с. На сетчатую мембрану А (установленную в зоне конденсации) подается потенциал (+). Контакты 1Р2 реле 24 находятся в положении е. На сетчатую мембрану Б (установленную в зоне испарения) подается потенциал (-). На вспомогательную сетчатую мембрану С (установленную в зоне испарения) подается потенциал (+). Сетчатые мембраны В и С образуют электродную систему для создания электрического поля. В образующиеся в процессе испарения частицы пара проходя через электрическое поле мембран В и С на поверхностях будут индуцироваться отрицательные заряды. Под действием электрического поля созданного мембраной А и Б, частицы пара, имеющие отрицательный потенциал, будут втягиваться в зону конденсации под действием положительного потенциала и будет осуществляться транспортирование теплового потока.
В режиме прекращения отбора энергии обмотка реле 24 получает питание (фиг.4), контакты 1Р2 будут находиться в положении d. На сетчатую мембрану А будет подаваться отрицательный потенциал (-). Образующимся частицам пара, имеющими наведенный отрицательный заряд, со стороны мембраны А будет создаваться отталкивающее действие, что приведет к сужению канала транспортировки теплового потока. На фиг.5 показана временная диаграмма режима работы управляемой тепловой трубы. Ширина импульса определяет плотность транспортируемого теплового потока. Чем шире импульс, тем больше времени производится транспортирование теплового потока.
Управляющее воздействие для источника переменного напряжения 16 формируется вычислительным устройством 12 (фиг.3), в структуру которого включен программатор 19 режима работы теплового аккумулятора. На основании полученных данных от датчиков температур 6, 9 и расходомеров 7, 8 и приемника УЗУ 11 микропроцессор 18 осуществляет измерение запасенной и отданной тепловой энергии потребителю по выражению (2).
Микропроцессор 18 выводят информацию на дисплей 22 о количестве запасенной и отданной тепловой энергии, а также осуществляют архивацию режимов работы теплового аккумулятора.
р
Ультразвуковое устройство, состоящее из источника ультразвука (генератор) 9 и приемника 10 ультразвука, вводит в микропроцессор 18 вычислительного устройства 12 погрешность значений удельной теплоемкости С ТАМ, так как в процессе накопления и отдачи тепловой энергии имеет место изменение фазового состояния ТАМ.
Ультразвуковое устройство способствует созданию гомогенной структуры при фазовых преобразованиях ТАМ, тем самым увеличивая площадь контакта его с тепловой трубой.
Заявленный тепловой аккумулятор с регулируемым отбором тепла обеспечивает:
- регулирование отбора тепловой энергии от теплоаккумулирующего материала в широких пределах за счет использования электрического поля, создаваемого электродной системой сетчатых мембран тепловой трубы и источником знакопеременного напряжения;
- управление передачей тепловой энергии потребителям с помощью вычислительного устройства с последующей архивацией режимов работы;
- наличие визуального контроля запасенной и отдаваемой тепловой энергии и режимов работы теплового аккумулятора;
- корректирование посредством ультразвукового устройства измерений тепловой энергии в зависимости от фазового состояния ТАМ, а также способствует созданию гомогенной структуры ТАМ для увеличения площади контакта с поверхностью тепловой трубы.