Аккумулятор тепловой энергии с регулируемой теплоотдачей при постоянной температуре
THERMAL ENERGY STORAGE WITH CONTROLLED HEAT RELEASE AT CONSTANT TEMPERATURE

Изобретение относится к физическому методу аккумулирования тепловой энергии и может быть использовано для получения электроэнергии с помощью термоэлектрического преобразователя или тепловой машины (двигатель Стерлинга, паровая машина, паровая турбина и др.), а также для горячего водоснабжения, отопления и т.д.
Известен тепловой аккумулятор [Патент RU 2027119, МПК F24H 7/00, опубл. 20.01.1995 г.], в котором предложен тепловой накопитель солнечной энергии с использованием в качестве теплоаккумулирующей среды дешевых твердых теплоаккумулирующих материалов (ТМ) на основе каменных пород, негорючих твердых отходов, вскрышных пород горнодобывающей промышленности. При этом решается задача создания теплового аккумулятора (ТА), способного отдавать тепло в течение длительного времени. Достигается это тем, что в ТА, содержащем резервуар, заполненный уложенным вразброс теплоаккумулирующим материалом, также используется теплообменник, состоящий из двух частей, где зарядная сторона подключена к солнечным коллекторам, а разрядная сторона - к паросиловой части солнечной электростанции. Согласно изобретению, разрядная сторона теплообменника содержит дополнительно размещенный в теплоаккумулирующем материале нагреватель, а в качестве резервуара использована полость в грунте.
Недостатком данного ТА является то, что в процессе теплоотдачи температура теплоносителя на выходе теплообменника (в разрядной стороне) меняется от максимальной температуры ТМ до минимальной, что снижает эффективность использования ТА, а также то, что в нем происходят большие тепловые потери на стенках аккумулятора ввиду их высокой температуры.
Известна полезная модель [ПМ RU 145327, МПК F24H 7/00, опубл. 20.09.2014 г., Бюл. №26], в которой устройство содержит корпус, заполненный веществом фазового перехода с теплопроводными включениями и трубы теплообменника, который имеет улиткообразную форму из каналов теплоносителя. Температурное постоянство нагреваемой среды на выходе из аккумулятора-теплообменника достигается тем, что с веществом фазового перехода соприкасается только наружная труба с нагреваемой средой. Труба с охлаждаемой средой гофрирована и имеет форму для интенсификации теплообмена. На входе-выходе трубы теплоносителя в аккумуляторе-теплообменнике расположен клапан регулирования потока, который автоматически регулирует поступление потока без применения электричества.
Недостатком данного теплового аккумулятора является недостаточная мощность хранения тепловой энергии из-за использования ТМ, в котором тепло хранится только за счет теплоты фазового перехода.
Наиболее близким техническим решением является аккумулятор тепловой энергии [Патент RU 2626922, МПК F24H 7/04, опубл. 02.08.2017 г. Бюл. №22, (прототип)], содержащий резервуар, являющийся полостью в грунте, заполненный твердой аккумулирующей средой, а также зарядный и разрядный теплообменники с теплоносителем, подключенные к источнику и потребителю тепловой энергии соответственно, при этом резервуар имеет тепловую и гидравлическую изоляцию от внешней среды, а внутренний объем резервуара разделен горизонтальными гидро- и теплоизолирующими перегородками на отдельные секции, каждая из которых имеет свой участок зарядного и разрядного контура с теплоносителем, причем разрядные и зарядные контуры каждой гидро- и теплоизолированной секции соединены в разрядный и зарядный коллекторы.
Недостатком данного теплового аккумулятора является то, что в процессе теплоотдачи температура теплоносителя на выходе теплообменника (в разрядном коллекторе) меняется от максимальной температуры ТМ до минимальной, что снижает эффективность использования ТА, а также то, что он рассчитан для сезонного хранения тепловой энергии, с большим объемом ТМ и небольшим перепадом температуры при теплоаккумулировании, что приводит к малой удельной тепловой энергии данного аккумулятора и к неэффективности использования тепловых двигателей (Стирлинга и др.) для трансформирования запасенного тепла в электроэнергию.
Задача изобретения - разработать конструкцию высокотемпературного теплового аккумулятора, которая позволит производить регулируемый отбор тепла в коллекторе выходной части теплообменника при стабильной высокой температуре, обеспечивая при этом простоту конструкции, надежность и стабильность работы.
Техническим результатом изобретения является создание надежного, экономичного и стабильного аккумулятора тепловой энергии с простой конструкцией, которая позволяет производить регулируемый отбор тепла в коллекторе выходной части теплообменника при стабильной высокой температуре.
Технический результат достигается тем, что в аккумуляторе тепловой энергии с регулируемой теплоотдачей при постоянной температуре, содержащем резервуар, имеющий тепловую изоляцию, заполненный твердой аккумулирующей средой, а также основной и внешний теплообменники с теплоносителем, подключенные к источнику и потребителю тепловой энергии соответственно, новым является то, что основной теплообменник выполнен в виде спирали, расходящейся от центральной осевой части к стенкам резервуара и дополнительно периодически изогнутой в направлении оси резервуара, при этом центральная часть спирали соединена с коллектором горячего теплоносителя, который для отдачи тепла при стабильной температуре соединен с внешним теплообменником, соединенным в свою очередь с периферийной частью спирали через коллектор холодного теплоносителя. А также тем, что спираль теплообменника может быть выполнена в виде многозаходной спирали с числом заходов N>1. А также тем, что между витками основного теплообменника установлен теплоизолирующий экран(ы) в виде спирали с числом заходов N≥1.
Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях, и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется графическими материалами.
На Фиг. 1 представлена принципиальная схема предложенного теплового аккумулятора. На Фиг. 2 представлен вид сверху теплового аккумулятора. На Фиг. 3 представлен вид сверху данного теплового аккумулятора для теплообменника в виде многозаходной спирали с числом заходов N=2. На Фиг. 4 показана зависимость температуры ТМ от радиуса в рабочей зоне теплового аккумулятора.
Предложенный тепловой аккумулятор имеет высокую эффективность работы за счет возможности использования высокотемпературного режима работы до 1000°С в зависимости от выбранного типа теплоносителя. Он состоит из цилиндрического резервуара с двойными стенками корпуса 1 (Фиг. 1, 2), пространство между которыми заполнено минеральным утеплителем 2. Изнутри резервуар заполнен порошкообразным или мелко гранулированным теплоаккумулирующим материалом 3, в качестве которого может быть выбран песок, и пронизывающего весь объем ТМ замкнутого основного теплообменника 4, состоящего из металлической трубки, согнутой в виде спирали (Фиг. 2), расходящейся от центральной осевой части аккумулятора к его периферии - стенкам резервуара 1 и дополнительно периодически изогнутой в направлении оси резервуара, что приводит к полному и однородному охвату всего объема ТМ трубками теплообменника. Для уменьшения диаметра трубок основного теплообменника и ускорения теплообмена с ним при сохранении тепловой мощности аккумулятора спираль теплообменника может быть выполнена в виде многозаходной спирали с числом заходов N>1.
Центральная часть теплообменника соединена с коллектором горячего теплоносителя 5, который соединен с внешним теплообменником 6, в котором происходит отдача тепла потребителю тепловой энергии 7. Выход внешнего теплообменника 6 с охлажденным теплоносителем соединен с периферийной частью основного теплообменника 4 через коллектор холодного теплоносителя 8. Геометрические параметры теплообменника рассчитываются для каждого набора исходных материалов в зависимости от тепловой мощности аккумулятора. В качестве материала трубок теплообменника используется медь из-за ее высокой теплопроводности, низкой стоимости, а также химической инертности и стойкости к щелочи.
Внутри теплообменника циркулирует жидкий теплоноситель, в качестве которого может использоваться жидкий едкий натр (NaOH) (рабочая температура до 1350°С), жидкий натрий (температура плавления 98°С), который может быть нагрет до температуры 850°С, минеральное масло, (рабочая температура до 300°С), семейство силиконовых высокотемпературных теплоносителей Термолан (рабочая температура до 330°С), и др.
В случае использования теплоносителя, который изначально может находиться в твердой фазе (для случая теплоносителя NaOH; Na), для его разогрева до температуры плавления используется нагрев спиральной части теплообменника с помощью омического тепла генерируемого путем прикладывания к ней необходимого напряжения от низковольтного трансформатора 9 между точками горячего коллектора 10 и холодного коллектора 8. Для блокирования этого электрического тока через трубу насоса 14, труба горячего коллектора разделена диэлектрической вставкой 12.
Для аккумулирования тепла путем разогрева горячего коллектора в центральной области теплообменника и дальнейшей передачи тепла по всему объему ТМ путем принудительной циркуляции нагретого теплоносителя в теплообменнике, используется омический нагрев путем прикладывания необходимого напряжения от низковольтного трансформатора 9 к максимально разнесенным на горячем коллекторе точкам 10 и 11. На Фиг. 1 изображен низковольтный трансформатор 9 и обе цепи нагрева теплообменника. Для циркуляции теплоносителя по контуру ТА используется индукционный либо другой высокотемпературный низкорасходный насос 14 с возможностью реверса потока.
Цикл работы устройства можно разбить на три фазы.
Во время первой фазы аккумулирования тепла теплоноситель нагревается до высокой температуры Т1 с помощью омического нагрева коллектора горячего теплоносителя 5. Разогретый до температуры Т1 теплоноситель с помощью насоса 14 начинает прокачиваться из центральной части ТА от горячего коллектора 5 к периферии ТА. Материал теплообменика нагревается, передавая тепло окружающему ТМ и разогревая его до температуры Т1.
Эта технология зарядки ТА принципиально важна в случае использования источника энергии со скважным режимом работы в период зарядки ТА, т.к. позволяет запасать в ТМ тепловую энергию при стабильной высокой температуре Т1.
По достижении температуры Т1 во всем объеме теплоаккумулирующего материала нагрев прекращается, и ТА переходит либо во вторую фазу хранения тепловой энергии, либо переключается на третью фазу - фазу разряда ТА. При этом вентили запорной арматуры 15 запираются, блокируя тепловой поток посредством движения теплоносителя в трубах.
Внешний теплообменник 6, за счет малой теплоемкости, быстро остывает до температуры окружающей среды Т3, тем самым не передавая тепло потребителю тепловой энергии 7. Наличие тепловой изоляции 2 уменьшает тепловые потери ТА.
Во время третьей фазы происходит передача тепловой энергии внешнему потребителю 7. Для этого вентили запорной арматуры 15 открываются, теплоноситель с помощью насоса 14 прокачивается в обратном направлении, с требуемой скоростью, от коллектора холодного теплоносителя 8 к коллектору горячего теплоносителя 5. Тепло, запасенное в теплоносителе, нагретом до температуры Т1, отдается внешнему потребителю тепловой энергии 7 с помощью его теплового контакта через внешний теплообменник 6. Охлажденный до температуры Т2 теплоноситель из внешнего теплообменника 6 переносится в периферийную зону теплового аккумулятора, вытесняя нагретый до температуры Т1 теплоноситель ближе к центральной зоне аккумулятора. Таким образом, схема движения теплоносителя от коллектора горячего теплоносителя 5 до коллектора холодного теплоносителя 8 через внешний теплообменник 6 обеспечивает относительную стабильность температуры теплоносителя Т1 на выходе из ТА к потребляющему тепло оборудованию. При отборе теплоты из ТА градиент распределения температуры от времени резко меняется от Т2 в периферийной области до Т1 в центральной области, фиг. 4. При этом кроме стабильности высокой температуры Т1 на выходе из ТА, на стенках резервуара 1 также будет сохраняться низкая температура Т2, значительно снижающая тепловые потери ТА.
Для поддержания данной стабильности температуры теплоносителя на выходе тепловой аккумулятор снабжен блоком управления 16, который управляет запорными вентилями 15 и скоростью движения теплоносителя внутри трубок с помощью управления мощностью насоса 14 и направлением потока теплоносителя. Для этого входы устройства 16 соединены с выходами датчиков температуры 17, детектирующими распределение значений температуры по радиусу внутри объема ТМ, с контроллером насоса 16 и запорными вентилями 15.
Для визуального контроля запасенной и отдаваемой тепловой энергии, а также режимов работы блок управления 16 снабжен дисплеем 18.
При режиме работы ТА, характеризующейся низкой теплоотдачей и достаточно высокой теплопроводностью ТМ для уменьшения тепловых потерь через стенки корпуса 1 и слой утеплителя 2 внутри резервуара между витками теплообменника 4 может быть установлен теплоизолирующий экран(ы) 19 в виде спирали с числом заходов равным или больше 1, который(е) замедляет(ют) процесс движения тепла от центральной горячей области с коллектором 5 ТА к холодным стенкам корпуса 1 посредством прямой теплопроводности ТМ.
В предложенном ТА тепловые потери на стенках аккумулятора уменьшены ввиду их невысокой температуры благодаря резкому скачку температуры внутри ТМ (Фиг. 4).
К преимуществам данного изобретения относятся:
- простота и долговечность конструкции ТА;
- отбор теплоты происходит при стабильной высокой температуре;
- боковые стенки корпуса аккумулятора удерживаются при низкой температуре, значительно снижая тепловые потери аккумулятора;
- возможность использования нагрева ТМ до высокой температуры (>300°С), что значительно увеличивает эффективность использования ТА.