АППАРАТ ДЛЯ НАГРЕВА ВОДЫ
WATER HEATER

Область техники
Настоящее изобретение относится к аппарату для нагрева воды (далее для краткости называемый аппарат), причем аппарат содержит по меньшей мере один бак для воды, впуск воды, выпуск воды, нагревательное средство, а также металлическое тело для накопления тепла, причем металлическое тело для накопления тепла содержит по меньшей мере один материал с фазовым переходом.
Уровень техники
-1
-1
Для нагревания воды, по сравнению с механическими задачами, требуется большое количество тепла. Если эта энергия берется из коммунальной электросети, то мощность ограничена условиями подключения. Так, например, в случае проточных нагревателей для нагревания объема воды, равного 12 л, в минуту требуется потребление мощности, равное 21 кВт. В теплоаккумуляторе нагревание 100 л воды при потреблении мощности, равном 2 кВт, длится 168 минут. Эти 100 л воды должны быть запасены для того, чтобы в любой момент иметь теплую воду в достаточном количестве. Такой вид накопления требует, с одной стороны, большого объема теплоаккумулятора, а с другой стороны является неудовлетворительным с точки зрения его энергоэффективности. Чтобы уменьшить теплоаккумулятор, должно быть найдено средство накопления, с помощью которого имеющаяся в воде энергия может быть накоплена в меньшем объеме. Одним из методов накопления больших объемов энергии является применение материалов с фазовым переходом. Преимущество такой технологии накопления тепла основывается на том, что в температурном диапазоне, точно установленном посредством температуры плавления используемого аккумулирующего материала, большая тепловая энергия может быть аккумулирована в относительно небольшой массе. Использование фазового перехода при этом существенно эффективнее, чем простое нагревание среды. Так, например, при застывании воды фазовый переход жидкой воды в твердый лед, то есть при 0°С, выделяется примерно столько же тепла, сколько требуется для нагревания того же количества воды от 0°С до 80°С. Специфическая энтальпия фазового перехода, таким образом, относительно высокая по сравнению со специфической теплоемкостью (для воды: энтальпия плавки 334 кДж/кг, специфическая теплоемкость примерно 4,19 кДж*кг*К), посредством чего плотность энергии существенно выше по сравнению с теплоаккумуляторами.
Аппараты, которые используют материалы с фазовым переходом для накопления тепла, известны из уровня техники. Так, например, DE 40 29 355 А1 описывает слоистый теплоаккумулятор с водным резервуаром и с расположенным в нем теплообменником с подводом горячей воды и с выпуском горячей воды, а также с подводом технической воды и с выпуском технической воды, причем этот теплоаккумулятор имеет упаковки с фиксирующей солью, служащие для увеличения потенциальной накопительной способности. Этот известный из уровня техники аппарат имеет, однако, недостаток, состоящий в том, что упаковки с фиксирующей солью аппарата имеют сильно ограниченную теплопроводность. Это особенно проблематично в твердом состоянии материала с фазовым переходом, так как в затвердевшем состоянии циркуляция тепла ограничена. Если материал с фазовым переходом окружен полым телом, и процесс затвердевания начинается снаружи, то тепло от застывшей внутренней сердцевины может проникать наружу только с трудом.
Раскрытие изобретения
Исходя из этого уровня техники, в основе настоящего изобретения лежит задача создания аппарата, который имеет улучшенную теплопроводность.
Эта задача решается для аппарата с признаками согласно п.1 формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления и развития изобретения, которые могут применяться по отдельности или в комбинации друг с другом, являются объектом зависимых пунктов формулы изобретения.
Предложенный изобретением аппарат построен на основе обычных аппаратов посредством того, что материал с фазовым переходом имеет по меньшей мере одно средство для теплопередачи.
Тем самым, достигается теплопроводность, существенно улучшенная по сравнению с уровнем техники. Если материал с фазовым переходом начинает застывать, то посредством средства для теплопередачи гарантируется, что и в том случае, когда внешние слои материала с фазовым переходом уже застыли, тепло, выделенное вследствие застывания внутренних слоев материала фазового перехода, может беспрепятственно проникать наружу. Таким образом, может застывать также сердцевина.
Особенно преимущественно, если средство для теплопередачи содержит графит и/или пенопласт. Эти материалы особенно хорошо подходят для того, чтобы переносить наружу тепло, выделяемое во время процесса застывания в сердцевине. Таким образом, после того, как начинают застывать краевые области, может застыть также и сердцевина.
При этом преимущественным оказалось, если средство для теплопередачи содержит углеродные нанотрубки. Углеродные нанотрубки, называемые также CNT (Carbon Nanotubes), являются микроскопически маленькими трубчатыми структурами (молекулярные нанотрубки) из углерода. Их стенки состоят, как и стенки фуллеренов или как и слои графита, исключительно из углерода, причем атомы углерода создают структуру с шестиугольниками и, соответственно, с тремя партнерами химической связи. Диаметр трубок максимально лежит в области 1-50 нм, но были изготовлены также и трубки с диаметром 0,4 нм. Уже были созданы длины от нескольких миллиметров для отдельных трубок и до 20 см для связок трубок. Различают одно- и многостенные трубки, открытые или закрытые трубки, трубки с крышкой, которая имеет секцию из фуллереновой структуры, а также пустые и наполненные трубки, например, наполненные серебром, жидким свинцом или благородными газами.
При этом преимущественным будет также, если материал с фазовым переходом имеет точку плавления между 60 и 100°С. Подходящие для этого материалы с фазовым переходом включают парафины, сахариды, гидраты газа, воду, водные растворы солей, эвтектику соленой воды, гидраты солей, смеси из гидратов солей, соли и эвтектические смеси солей, гидроксиды щелочных металлов, смеси из солей и гидроксидов щелочных металлов, жирные кислоты, олигомеры, уголь, спирты, каприловую кислоту, сложный метиловый эфир, метилпальмитат, метилстеарат, смеси короткоцепочечных кислот, каприловую и/или лауролеиновую кислоту, кокосовую жирную кислоту, а также пропан и/или метан. Особенно подходят соли, содержащие литий, и/или натрий, и/или калий.
Для технического применения жидкокристаллических аккумуляторов теплоты фазового перехода, как правило, желательна рекристаллизация немного ниже температуры плавления. Для этого в материал должны быть добавлены подходящие затравки, которые предотвращают переохлаждение расплава.
Преимущественным будет, если по меньшей мере две противолежащие стенки металлического тела электрически изолированы. Тем самым, может быть приложено электрическое напряжение, и посредством прохождения тока через электропроводящий материал с фазовым переходом и/или через средство для теплопередачи может нагреваться элемент. Тем самым, простым и экономичным образом нагревание и накопление тепла объединены в одном элементе. Благодаря этому, создается особо преимущественный элемент для нагревания воды, который может как производить тепло, так и накапливать его для быстрого нагревания больших объемов воды.
Особенно выгодным будет, если в предпочтительном варианте реализации металлическое тело для накопления тепла выполнено в виде стержня.
Кроме того, преимущественным будет, если в предпочтительном варианте реализации аппарат имеет нагревательное средство.
Настоящее изобретение может быть сформулировано следующим образом: для нагревания воды, по сравнению с механическими задачами, требуется большое количество тепла. Если эта энергия берется из коммунальной электросети, то мощность ограничена условиями подключения. В случае проточных нагревателей для объема воды, равного 12 л/мин требуется потребление мощности, равное 21 кВт. В сборнике нагревание 100 л воды при потреблении мощности, равном 2 кВт, длится 168 минут. Эти 100 л воды запасаются для того, чтобы в любой момент иметь теплую воду в достаточном количестве. Чтобы уменьшить сборник, должна быть найдена аккумулирующая среда, с помощью которой имеющаяся в воде энергия может быть накоплена в небольшом объеме. Одним из методов накопления больших объемов энергии являются аккумуляторы теплоты фазового перехода с материалом с фазовым переходом (РСМ - Phase Chnage Material). Проблема аккумуляторов теплоты фазового перехода состоит в передаче тепла, так как материал становится твердым и имеет тогда только ограниченную теплопроводность, в отличии от жидкостей, которые могут переносить тепло также посредством циркуляции. Если материал с фазовым переходом окружен полым телом, то процесс застывания начинается снаружи, и тепло очень плохо проникает к сердцевине. Чтобы улучшить эту теплопередачу, для теплопроводности в материале с фазовым переходом применяются теплопроводящие вещества.
Такие комбинации применяются в случае гелиотехнических установок, например, в комбинации графитовой матрицы и солевого раствора. При этом устройство может состоять из металлического стержня, который наполнен вспененным графитовым материалом и солевым раствором, точка плавления которых лежит между 60 и 100°. Чтобы увеличить теплопроводность, в графитовый материал могут быть добавлены угольные нанотрубки (Carbon Nanotubes). Альтернативно этому, вместо графита может быть использован пенопласт, сделанный теплопроводящим благодаря угольным нанотрубкам. Далее, расположенные друг напротив друга стенки могут быть изолированы. Тем самым, может быть приложено электрическое напряжение, и посредством прохождения тока через графит может нагреваться элемент. Тем самым, нагревание и накопление тепла объединены в одном элементе. Благодаря вспененному графитовому материалу гарантируется передача тепла из РСМ. Таким образом экономично может быть изготовлен теплоаккумулятор. Посредством дополнительного выполнения в виде нагревателя, создается идеальный элемент для нагревания воды, при помощи которого можно быть более быстро нагревать и сохранять большие объемы воды. В отличии от применения на солнечных электростанциях, теплоаккумулирующий стержень может быть использован для нагревания воды в быту. Для этого теплоаккумулирующий стержень монтируется в теплоаккумуляторе. При нагреве воды он заряжается, а если поступает холодная вода, теплоаккумулирующий стержень вновь отдает свое тепло.
Предложенный изобретением аппарат предлагает экономичные, компактные и эффективные возможности нагревания воды и накопления тепла.
Краткое описание чертежей
Другие преимущества и другие возможности реализации изобретения поясняются ниже на основании различных вариантов реализации, которыми однако не ограничивается настоящее изобретение, а также со ссылкой на прилагаемые чертежи. На них показано следующее:
Фиг.1 - схематичный вид первого варианта реализации аппарата.
Фиг.2 - аксонометрическая проекция металлического тела для накопления тепла.
Фиг.3 - поперечный разрез металлического тела для накопления тепла.
Фиг.4 - схематичный вид другого варианта реализации аппарата. Осуществление изобретения
В нижеследующем описании предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения одинаковые номера позиций означают одинаковые или сравнимые компоненты.
Фиг.1 показывает схематичный вид первого варианта реализации аппарата 1. Он содержит бак 2 для воды, впуск 3 воды, выпуск 4 воды, а также металлическое тело 5 для накопления тепла. Металлическое тело 5 для накопления тепла содержит материал 6 с фазовым переходом, а также по меньшей мере одно средство 7 для теплопередачи, которое содержит графит и/или пенопласт. Средство 7 для теплопередачи содержит угольные нанотрубки для улучшения теплопроводности. Кроме того, аппарат 1 имеет нагревательный элемент 9.
Фиг.2 показывает в аксонометрической проекции выполненное в виде стержня металлическое тело 5 для накопления тепла. Такой выполненный в виде стержня вариант реализации может быть размещен в аппарате с особой экономией места.
Фиг.3 показывает в схематичном поперечном разрезе металлическое тело 5 для накопления тепла. Между двумя расположенными друг напротив друга стенками 8а, 8b металлического тела 5 для накопления тепла находится материал 6 с фазовым переходом. Для улучшения передачи тепла, кроме того, между расположенными друг напротив друга стенками 8а, 8b расположены средства для передачи тепла, которые содержат графит и/или пенопласт, причем средство для теплопередачи 7 содержит угольные нанотрубки. Если металлическое тело 5 для накопления тепла охлаждается, то более холодные слои, то есть внешние слои, начинают застывать. Посредством угольных нанотрубок гарантируется, что лежащие внутри слои материала с фазовым переходом также быстро застывают, так как выделяемое при этом тепло через угольные нанотрубки особенно хорошо может быть выведено наружу.
Фиг.4 показывает в схематичном поперечном разрезе металлическое тело 5 для накопления тепла. В этом варианте реализации две противолежащие стенки 8а и 8b электрически изолированы. Между противолежащими стенками 8а, 8b находится материал 6 с фазовым переходом, а также средство 7 для теплопередачи, которое содержит графит, а также находятся угольные нанотрубки. Посредством того, что противолежащие стенки изолированы, может быть приложено электрическое напряжение, и посредством прохождения тока через графит может нагреваться элемент.Тем самым, нагревание и накопление тепла объединены в одном элементе. Посредством такого дополнительного выполнения в виде нагревателя, создается идеальный элемент для нагревания воды, причем элемент может производить и сохранять тепло для быстрого нагревания больших объемов воды.
Предложенный изобретением аппарат предлагает экономичные, компактные и эффективные возможности нагревания воды и накопления тепла.
Список обозначений
1
Аппарат для нагрева воды
2
Бак для воды
3
Впуск для воды
4
Выпуск для воды
5
Металлическое тело для накопления тепла
6
Материал с фазовым переходом
7
Средство для теплопередачи, угольные нанотрубки
8a, 8b
Противолежащие стенки
9
Нагревательное средство