КОТЕЛ С ТЕПЛОАККУМУЛЯТОРОМ

Заявляемая полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована в водогрейных и паровых котлах.
Известно решение по патенту на изобретение РФ №2454612. Водогрейный котел по данному патенту содержит цилиндрическую топку, горелку, установленную в торце топки, выпускное отверстие, подводящий и отводящий трубопроводы и поверхности нагрева, подсоединенные к подводящему и отводящему трубопроводам и состоящие из экранной части, образованной пучком гладких спиральных трубок, и двух, внутренней и наружной, концентрично расположенной вокруг внутренней с зазором, ступеней конвективной части, причем каждая из ступеней конвективной части образована пучком спиральных трубок, при этом пучок трубок экранной части выполнен газоплотным или снабжен наружным газоплотным направляющим цилиндром, ступени конвективной части примыкают к противоположному горелке торцу топки и снабжены спиральными направляющими накладками, размещенными с наружной стороны каждого пучка трубок конвективной части, пучок трубок внутренней ступени конвективной части навит по радиусу, равному радиусу навивки пучка трубок экранной части, и одним концом сообщен с последним, а другим концом - с пучком трубок ее наружной ступени, трубки обеих ступеней конвективной части выполнены с оребрением, и выпускное отверстие расположено со стороны наружной ступени конвективной части. Подводящий трубопровод подсоединен к наружной ступени конвективной части, а отводящий трубопровод - к экранной части. Трубки внутренней ступени конвективной части выполнены с диаметром, меньше диаметров трубок ее наружной ступени и трубок экранной части. Спиральные направляющие накладки имеют в сечении профиль двух соединенных дуг.
Однако данное устройство не может длительно сохранять тепло и при отключении нагревательных элементов быстро остывает и перестает выполнять свои основные функции. То есть нагревательные элементы в данном устройстве должны постоянно работать, что влечет за собой большие потери энергоносителя.
Технической задачей заявляемого устройства является создание компактного котла с теплоаккумулятором, обеспечивающего надежное и безопасное функционирование устройства, а главное, обеспечивающего экономию электроэнергии за счет обеспечения возможности работы устройства в режиме периодического включения и выключения нагревательных элементов, уменьшение затрат на электроэнергию за счет обеспечения возможности аккумулирования тепла устройством в ночное время по удешевленным тарифам электроэнергии.
Технический результат достигается за счет того, что котел с теплоаккумулятором, содержит цилиндрический бак, устройство нагрева, входную трубу и выходную трубу, теплосъемники большого и малого диаметра спиральной навивки, с общей центральной осью, сливной кран, запорную арматуру входную и выходную, термодатчик и теплообменное устройство, при этом цилиндрический бак заполнен теплоаккумулирующим материалом, в качестве среды, передающей тепло теплосъемникам большого и малого диаметра спиральной навивки, а теплосъемники большого и малого диаметра спиральной навивки с нагреваемой средой выполнены переходящими плавно в нижней части от теплосъемника большого диаметра спиральной навивки к теплосъемнику малого диаметра спиральной навивки, при этом последний расположен внутри теплосъемника большого диметра спиральной навивки, причем они снабжены фиксирующим устройством, а устройство нагрева расположено в донной части и содержит теплопроводящий диск, прилегающий снаружи к донной части цилиндрического бака, и нагревательные элементы, прилегающие к теплопроводящему диску и плотно прижатые к нему с помощью фиксаторов нагревательных элементов, закрепленных между собой одними концами и зафиксированных другими концами в посадочной юбке, а цилиндрический бак снабжен крышкой люка, наружным люком, при этом устройство дополнительно содержит расширительный бак, расширительный бак рабочей жидкости, устройство сброса воздуха, устройство сброса давления, аварийное устройство сброса воздуха, аварийное устройство сброса жидкости обеспечивающие функционирование устройства с теплоаккумулирующей жидкостью, устройство содержит также циркуляционный насос, а цилиндрический бак снабжен утеплителем. Нагревательные элементы выполнены в виде круглых дисков, расположенных равномерно по окружности. Посадочная юбка выполнена с Г-образными прорезями, с возможностью посадки в них фиксаторов нагревательных элементов, кроме того посадочная юбка дополнительно снабжена посадочными шинами. Фиксаторы нагревательных элементов выполнены в виде изогнутых пластин с возможностью подпружинивания. Теплосъемники большого и малого диаметра спиральной навивки выполнены не соприкасающимися с донной частью цилиндрического бака, кроме того теплосъемники большого и малого диаметра спиральной навивки выполнены волнообразными в сечении с обеспечением максимальной теплопередачи. Теплосъемники выполнены на фиксирующем устройстве. Фиксирующее устройство выполнено в виде двух колец большого и малого диаметра, соединенных между собой перемычками, вертикальных штанг, закрепленных на этих кольцах и клипс, закрепленных на штангах, с возможностью фиксации на них теплосъемников большого и малого диаметра спиральной навивки. Цилиндрический бак выполнен с опорами. Утеплитель состоит из утеплительной оболочки как таковой, корпуса утеплителя и крышки утеплителя. Крышка люка и наружный люк снабжены уплотнительными прокладками. Расширительный бак, расширительный бак рабочей жидкости, устройство сброса воздуха, устройство сброса давления, аварийное устройство сброса воздуха, аварийное устройство сброса жидкости и термодатчик, через соответствующие люки входят в пространство цилиндрического бака, не заполненное теплоаккумулирующей жидкостью. Нагреваемой средой является вода или воздух.
Заявляемое устройство поясняется чертежами, где:
На фиг.1 изображен вид спереди котла со схематически изображенными утеплителем и теплосъемниками большого и малого диаметра.
На фиг.2 изображен увеличенный фрагмент вида спереди нижней части цилиндрического бака с устройством нагрева.
На фиг.3 изображен вид снизу фрагмента по фиг.2.
На фиг.4 изображено сечение по А-А фиг.3.
На фиг.5 изображен вид сбоку посадочной юбки с Г-образным проемом под фиксаторы нагревательных элементов.
На фиг.6 изображен вид сверху цилиндрического бака с крышкой люка, наружным люком и крепежом крышки люка.
На фиг.7 изображена крышка люка, наружный люк, входная труба, выходная труба, термодатчик, входная труба для аварийных устройств в сечении.
На фиг.8 схематично изображено устройство фиксации теплосъемников большого и малого диаметров.
На фиг.9 изображен вид снизу колец большого и малого диаметра с перемычками фиксирующего устройства.
На фиг.10 изображен вид А фиг.1 теплосъемника в сечении.
На фиг.11 изображен вид В фиг.1. в сечении - в качестве среды - теплоаккумулирующая среда.
На фиг.12 изображен вид С фиг.1. в сечении - показан материал утеплителя.
На фиг.13 изображен схематично в уменьшенном масштабе котел с теплоаккумулятором со всеми функциональными блоками.
Котел 1 с теплоаккумулятором содержит цилиндрический бак 2, устройство нагрева 3, входную трубу 4 и выходную трубу 5, теплосъемники большого 6 и малого диаметра 7 спиральной навивки, с общей центральной осью, сливной кран 8, запорную арматуру входную 9 и выходную 10, термодатчик 11 и теплообменное устройство 12. Цилиндрический бак 2 имеет ребра жесткости 13 и теплосберегающее покрытие 14. Он заполнен теплоаккумулирующей средой 15. В качестве теплоаккумулирующей среды 15, передающей тепло теплосъемникам большого 6 и малого диаметра 7 спиральной навивки используют, например, например, такие теплоаккумулирующие вещества, кристаллогидраты: натрия сульфит; натрия ацетат; сегнетовая соль; алюминия нитрат и др. Теплосъемники большого 6 и малого 7 диаметра спиральной навивки с нагреваемой теплоаккумулирующей средой 15 в качестве которой может быть использована вода или пар, выполнены переходящими плавно в нижней части от теплосъемника большого диаметра спиральной навивки 6 к теплосъемнику малого диаметра 7 спиральной навивки, при этом последний расположен внутри теплосъемника большого диметра 6 спиральной навивки. Они закреплены на фиксирующем устройстве 16. Теплосъемники большого 6 и малого диаметра 7 спиральной навивки выполнены не соприкасающимися с донной частью цилиндрического бака. Теплосъемники большого 6 и малого диаметра 7 спиральной навивки выполнены волнообразными в сечении с обеспечением максимальной теплопередачи. Теплосъемники большого 6 и малого диаметра 7 спиральной навивки выполнены на фиксирующем устройстве 16.
Устройство нагрева 3 расположено в донной части цилиндрического бака 2 и содержит теплопроводящий диск 17, прилегающий снаружи к донной части цилиндрического бака 2, а также нагревательные элементы 18 каждый с электросъемником 19. Нагревательные элементы выполнены, например, в виде круглых дисков, расположенных равномерно по окружности. Нагревательные элементы прилегают к теплопроводящему диску 17 и плотно прижаты к нему с помощью фиксаторов нагревательных элементов 20, выполненных, например, в виде изогнутых пластин с возможностью подпружинивания и зафиксированных с помощью посадочной юбки 21.
С целью установки и фиксации нагревательных элементов 18 к теплопроводящему диску 17 посадочная юбка 21, закрепленная в донной части цилиндрического бака, дополнительно снабжена посадочными шинами 23, расположенными равномерно-последовательно по окружности донной части цилиндрического бака 2 и имеющими V-образную форму. При этом расстояния между ветвями V-образных посадочных шин выполнены таким образом, чтобы обеспечить посадку нагревательных элементов 18 между ними.
Фиксаторы нагревательных элементов 20, выполнены, например, в виде изогнутых пластин с возможностью подпружинивания и зафиксированы одними концами к гайке-шайбе 24 и другими концами установлены в посадочной юбке 21, в предусмотренных в ней для этого Г-образных проемах, расположенных на равном расстоянии друг от друга в цилиндрическом корпусе посадочной юбки 21. Гайка-шайба 24, в свою очередь, служит для подкручивания в случае ослабления фиксации через гайку 25 и опорную втулку 26 к корпусу цилиндрического бака 2.
Цилиндрический бак 2 снабжен крышкой люка 27, имеющей крепеж крышки люка 28, а также наружный люк 29. Устройство дополнительно содержит расширительный бак 30, расширительный бак рабочей жидкости 31, устройство сброса воздуха 32, устройство сброса давления 33, аварийное устройство сброса воздуха 34, аварийное устройство сброса жидкости 35, аварийное устройство сброса давления 36. Выше перечисленные дополнительные устройства обеспечивают функционирование заявляемого устройства с теплоаккумулирующей жидкостью. Кроме того, для обеспечения подачи нагретой воды устройство снабжено также циркуляционным насосом 37. Для обеспечения более длительного сохранения тепла теплоаккумулирющей жидкости в цилиндрическом баке 2 он снабжен дополнительно утеплителем 38.
Фиксирующее устройство 16 выполнено в виде двух колец большого 39 и малого диаметра 40, соединенных между собой перемычками 41, и вертикальных штанг 42, закрепленных на этих кольцах 39 и 40 и снабжено клипсами 43, закрепленными на вертикальных штангах 42, с возможностью фиксации к вертикальным штангам 42 теплосъемников большого 6 и малого диаметра 7 спиральной навивки.
Цилиндрический бак выполнен с опорами цилиндрического бака 44.
Утеплитель 38 состоит из корпуса утеплителя 45, закрывающего утеплительную оболочку 46, установленную на цилиндрическом баке и крышки утеплителя 47.
Крышка люка 27 и наружный люк 29 снабжены уплотнительными прокладками 48 с фиксатором уплотнительной прокладки 49 для обеспечения герметичности цилиндрического бака 2 и, соответственно, безопасности устройства в целом.
Расширительный бак 30, расширительный бак рабочей жидкости 31, устройство сброса воздуха 32, устройство сброса давления 33, аварийное устройство сброса воздуха 34, аварийное устройство сброса жидкости 35 и термодатчик 11, через соответствующие люки входят в пространство цилиндрического бака 2, не заполненное теплоаккумулирующей средой 15. Все вышеперечисленные устройства, кроме, соответственно, термодатчика 11 обеспечивают безопасное функционирование заявленного устройства при переходе теплоаккумулирующего вещества из оного фазового состояния в другое, что может сопровождаться выделением воздуха, жидкости.
Нагреваемой средой является вода или воздух.
Работа устройства заключается в следующем. К нагревательным элементам 18 через электросъемник 19 подведено электричество от узла управления (на фиг. не показан). Тепло от нагревательных элементов 18 передается через теплопроводящий диск 17. Теплоаккумулирующая жидкость 15 нагревается до заданной температуры, например, до 70°C. После чего нагревательные элементы 18 отключаются. В этот момент теплосъемники большого 6 и малого диаметра 7 спиральной навивки отбирают тепло от теплоаккумулирующей среды 15 и циркуляционным насосом 37 рабочая жидкость (вода или пар) в теплообменное устройство 12, которое передает тепло нагревательным приборам по заданной программе и далее поступает в теплосъемники большого 6 и малого диаметра 7 спиральной навивки и, перемещаясь по ним, опять нагревается от теплоаккумулирующей среды, находящейся в цилиндрическом баке и длительно сохраняющем тепло.
В качестве теплоаккумулирующей среды могут быть выбраны различные теплоаккумулирующие вещества, на основе экзо- и эндотермических эффектов фазовых превращений, например, кристаллогидраты: натрия сульфит с плотностью 1176 и температурой плавления 33,4°C; натрия ацетат, с плотностью 1450, температурой плавления 58°C; сегнетовая соль с плотностью 1790 и температурой плавления 70-80°C; алюминия нитрат с температурой плавления 70°C и другие известные в промышленности. Выбор теплоаккумулирующей среды зависит от заданной температуры, которую нужно получить для теплообменного устройства. При выборе солей учитываются такие факторы, как доступность сырья, фазовый переход кристаллогидрата должен обладать эффектом скрытой теплоты, т.е. соль должна накапливать большое количество тепла, кристаллогидрат должен иметь незначительное переохлаждение при кристаллизации, кристаллогидрат должен обладать хорошей воспроизводимостью на протяжении большого числа фазопереходных циклов без ухудшения эффекта скрытой теплоты, приготовление кристаллогидрата должно быть сравнительно простым, соль должна быть безвредной.
Дополнительно тепло сохраняется за счет утеплителя 34.
Например, при использовании в качестве теплоаккумулирующй среды такое теплоаккумулирующее вещество, как натрия ацетат, когда температура в цилиндрическом баке 2 понижается до 58°C градусов происходит фазовый переход теплоаккумулирующей среды 15 из жидкого состояния в кристаллическое с выделением дополнительного тепла, затем при понижении температуры до 45°C градусов, нагревательные элементы 18 снова включаются, и нагревают теплоаккумулирующую среду до 70°C градусов. Цикл повторяется.
Эти особенности устройства обеспечивают экономию электроэнергии за счет обеспечения возможности работы устройства в режиме периодического включения и выключения нагревательных элементов, уменьшают затраты на электроэнергию за счет обеспечения возможности аккумулирования тепла и длительного его сохранения устройством, а также за счет дополнительного сбережения тепла при использовании утеплителя. В ночное же время обеспечивается возможность аккумулирования тепла и длительного его сохранения по удешевленным тарифам электроэнергии.
2
Устройство выполнено компактным за счет использования в одном объеме теплосъемника большого диаметра спиральной навивки и теплосъемника малого диаметра спиральной навивки, а также выполнение теплосъемников волнообразными, что обеспечивает максимальный эффект теплопередачи при максимальном использовании объема цилиндрического бака. Например, для обогрева дома площадью 100 м и бесперебойной работы отопления в течение 6 часов необходим цилиндрический бак объемом 2500 литров, цилиндрический бак заявленного котла с теплоаккумулятором имеет для выполнения тех же функций объем 500 литров, что доказано экспериментальным путем.
Устройство может быть полностью автоматизированным и управляемым дистанционно и работать по принципу «Умного дома» (системы управления на фиг. не показаны).
Устройство промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено из материалов, серийно производящихся промышленностью, все комплектующие заявленного устройства также производятся промышленностью.
Преимущество предлагаемого технического решения подтверждается расчетами.
Расчет сделан при использовании в качестве теплоаккумулирующей среды расплава соли.
Исходные данные на экспериментальном образце теплоаккумулятора:
Vакк=Vрп=34 л
Где,
Vакк - рабочий объем теплоаккумулятора
Vрп - рабочий объем теплоаккумулирующего вещества
Lктк=10 м
Где,
Lктк - длина теплоотводящего контура
Мощность э\ТЭНа, Nэ=1 кВт
Экспериментальные данные:
Время нагрева расплава соли:
Тн=3 часа
Общая тепловая мощность:
∑
Nт=4 кВт
Сравнительная таблица эффективности водяного, парафинового, стеаринового и солевого теплоаккумуляторов. ТАМ - Теплоаккумулирующий материал.
Таблица
Сравнительные характеристики теплоаккумуляторов.
ТАМ
вода
парафин
стеарин
Солевая смесь (Кристаллогидраты, а именно, ацетат натрия)
V,л
Общая тепловая мощность, кВт
Тепловая емкость, кВт/ч
Общая тепловая мощность, кВт
Тепловая емкость, кВт/ч
Общая тепловая мощность, кВт
Тепловая емкость, кВт/ч
Общая тепловая мощность, кВт
Тепловая емкость, кВт/ч
8 ч
12 ч
8 ч
12 ч
8 ч
12 ч
8 ч
12 ч
34
1,8
0,225
0,15
2,45
0,3
0,2
2,9
0,36
0,24
4
0,5
0,33
50
2,65
0,33
0,25
3,6
0,45
0,3
4,26
0,53
0,35
6
0,75
0,5
100
5,3
0,66
0,44
7,2
0,9
0,6
8,53
1
0,7
12
1,5
1
300
16
2
1,33
21,6
2,7
1,8
25,6
3
2,1
36
4,5
3
500
26,5
3,31
2,2
36
4,5
3
42,66
5
3,5
60
7,5
5
750
40
5
3,33
54
6,75
4,5
64
8
5,33
90
11,25
7,5
1000
53
6,62
4,4
72
9
6
85,33
10
7
120
15
10
1500
80
10
6,67
108
13,5
9
128
16
10,5
180
22,5
15
2000
106
13,25
8,83
144
18
12
170
20
14
240
30
20
Как видно из таблицы, котел с теплоаккумулятом на основе солевой смеси в 2,25 раз эффективнее водяного, в 1,66 раз эффективнее парафинового и в 1,4 раза эффективнее стеаринового, что дает огромные преимущества: уменьшение габаритных размеров при одинаковых мощностях, увеличение периода рабочего времени. Котел с теплоаккумулятором не пожароопасен, не взрывоопасен, не токсичен, экзотермичен обеспечивает - выделение дополнительного тепла.
Поставленная техническая задача, а именно, создание компактного котла с теплоаккумулятором, обеспечивающего надежное и безопасное функционирование устройства, а главное, обеспечивающего экономию электроэнергии за счет обеспечения возможности работы устройства в режиме периодического включения и выключения нагревательных элементов, уменьшение затрат на электроэнергию за счет обеспечения возможности аккумулирования тепла устройством в ночное время по удешевленным тарифам электроэнергии.
Перечень позиций
1. Котел
2. Цилиндрический бак
3. Устройство нагрева
4. Входная труба
5. Выходная труба
6. Теплосъемник большого диаметра спиральной навивки
7. Теплосъемник малого диаметра спиральной навивки
8. Сливной кран
9. Входная запорная арматура
10. Выходная запорная арматура
11. Термодатчик
12. Теплообменное устройство
13. Ребро жесткости бака
14. Теплосберегающее покрытие
15. Теплоаккумулирующая жидкость
16. Фиксирующее устройство
17. Теплопроводящий диск
18. Нагревательные элементы
19. Электросъемник
20. Фиксаторы нагревательных элементов
21. Посадочная юбка
22. Г-образный проем
23. Посадочная шина
24. Гайка-шайба
25. Гайка
26. Опорная втулка
27. Крышка люка
28. Крепеж крышки люка
29. Наружный люк
30. Расширительный бак
31. Расширительный бак рабочей жидкости
32. Устройство сброса воздуха
33. Устройство сброса давления
34. Аварийное устройство сброса воздуха
35. Аварийное устройство сброса жидкости
36. Аварийное устройство сброса давления
37. Циркуляционный насос
38. Утеплитель
39. Кольцо большого диаметра
40. Кольцо малого диаметра
41. Перемычка
42. Вертикальная штанга
43. Клипса
44. Опора цилиндрического бака
45. Корпус утеплителя
46. Утеплительная оболочка
47. Крышка утеплителя
48. Уплотнительная прокладка
49. Фиксатор уплотнительной прокладки