Композитная вакуумная оболочка теплоаккумуляционной емкости

Полезная модель относится к области теплотехники, и может использоваться для теплоизоляции цилиндрических тел, в том числе сосудов с теплоносителем, и аккумуляционных емкостей, применяемых в различных сферах для сохранения тепла, полученного в процессе активной или пассивной выработки тепловой энергии теплогенерирующими агрегатами, в том числе установками, основывающимися на использовании альтернативных источников энергии.
Известен способ тепловой изоляции цилиндрических сосудов, для удержания накопленной тепловой энергии теплоносителем, или сохранения температуры хладагента, а также различных теплоаккумуляционных емкостей, с применением органических и неорганических материалов, имеющих низкий коэффициент теплопроводности, таких как пенополиуретан, пенополистирол, стекловолокно и другие. Недостатками данного способа тепловой изоляции являются более высокие тепловые потери и бóльшая толщина теплоизоляционного слоя, увеличивающая габариты конструкции, что в случае с цилиндрическими телами, при увеличении слоя с развитием конечного радиуса оболочки, дополнительно повышает общий объем используемого теплоизолирующего материала.
Известна теплоизоляционная оболочка, выполненная с образованием вакуумного слоя, предотвращающего нагрев криогенного компонента в криогенной емкости ракетно-космической техники (см. патент RU 2413661 С1, B64G 1/58, F16L 59/06, опубликовано 10.03.2011). Недостатком данной конфигурации теплоизоляционной конструкции является неприменимость в условиях большой разности давлений внутри вакуумного слоя и в окружающей среде, по причине чего снижение давления в вакуумном слое данной теплоизоляционной оболочки, осуществляется в процессе вывода космического аппарата на орбиту, во время чего, с набором высоты атмосферное давление снижается и позволяет нивелировать разность давлений вакуумного слоя и окружающей емкость среды. Также, в качестве недостатков данного устройства можно выделить высокую зависимость от излучения в вакуумированной прослойке, где поверхности, в результате воздействия теплообменных процессов имеют большую разность температур и не разделены продольной экранированной прослойкой. Кроме того, устройство в вакуумированной полости неметаллических бобышек, служащих точками опоры слоев конструкции, образует множество теплопроводных включений. А также в результате распределения локально-сосредоточенной нагрузки поверхностей по неметаллическим бобышкам, при воздействии термоциклического нагружения, вызванного разностью температур поверхностей вакуумированной прослойки и разности давлений внутри и снаружи емкости, создается вероятность нарушения герметичности и целостности оболочки, а также снижения долговечности конструкции экранно-вакуумной теплоизоляции.
Наиболее близким техническим решением является система теплоизоляции для объектов трубчатой формы (см. патент RU 2260740 С1, F16L 59/06, опубликовано 20.09.2005), выполненная в конфигурации двух цилиндрических вакуумированных пластин, продольно разделенных теплоизоляционным инертным материалом. Недостатком данной теплоизоляционной оболочки выступает высокая зависимость от термоциклического нагружения и разности давлений в вакуумных пластинах, внутри трубопровода и в наружной среде, в результате чего применение данной системы тепловой изоляции невозможно на цилиндрических объектах большого диаметра, например, теплоаккумуляционных емкостях. Также по причине наличия только одной точки опоры у каждой вакуумной пластины и неравномерности распределения нагрузок, за счет разности радиусов пластин, у данной системы теплоизоляции отсутствует способность выдерживать большие перепады температуры и давления на эквидистантных друг другу поверхностях вакуумных пластин, результатом чего являются низкие износостойкость и долговечность.
Технический результат – интенсификация процесса сокращения тепловых потерь через теплоизоляционную оболочку теплоаккумуляционной емкости, при формируемой единой структурной слоистой конфигурации, имеющей устойчивость к термоциклическому нагружению и разности внутреннего и внешнего давлений, обуславливающей долговечность и износостойкость конструкции.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что композитная вакуумная оболочка, опоясывающая теплоаккумуляционную емкость, для интенсификация процесса сокращения тепловых потерь, с сопутствующим повышением долговечности и износостойкости предусматривает единую структурную слоистую конфигурацию, включающую: защитное покрытие, выполненное в качестве наружного полимерного защитного слоя с низкой теплоемкостью, ограждающего вакуумную прослойку от механического воздействия; вакуумную прослойку, выполненную из двух рядов полимерных труб, расположенных в шахматном порядке. Применяемый порядок расположения максимально исключает образование зон повышенной теплопроводности в качестве воздушных зазоров между труб и сокращает толщину композитной вакуумной оболочки; композитную воздушную прослойка, нивелирующую воздействие излучения от нагретой поверхности абсорбирующего слоя, повышающую долговечность и износостойкость композитной вакуумной оболочки, за счет ребер жесткости в ее полости; прочный армирующий слой (полимерный), выполненный по внутренней стороне, граничащей с теплоаккумуляционной емкостью, с нанесением низкотеплопроводного светоотражающего покрытия, образующего гладкую поверхность, снижающую коэффициент теплоотдачи поверхности.
При этом достижение технического результата заявленной полезной модели обуславливается совокупным влиянием всех вышеперечисленных слоев, которое характеризуется свойством более высокой теплоизоляционной способности, чем у каждого отдельного слоя, составляющего композитную вакуумную оболочку теплоаккумуляционной емкости; невозможно достижение нивелирования тепловых потерь каждым отдельным слоем.
Для возможности присоединения к теплоаккумуляционной емкости теплопотребляющих и теплогенерирующих контуров инженерных систем в композитной вакуумной оболочке предусмотрены присоединительные патрубки, а для осуществления вакумизации вакуумной прослойки, сборная полость с клапаном для вакуумирующего оборудования.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен фрагмент композитной вакуумной оболочки теплоизоляционной емкости.
На фиг. 2 изображен продольный разрез крышной части теплоаккумуляционной емкости в композитной вакуумной оболочке.
На фиг. 3 изображен способ подключения патрубка присоединения циркуляционных контуров инженерных систем.
Теплоаккумуляционная емкость 1 заключена в прочный армирующий слой 2 с нанесением низкотеплопроводного светоотражающего слоя 3, формирующего гладкую поверхность 4 на внутренней стороне 5 композитной вакуумной оболочки теплоаккумуляционной емкости. Поверх прочного армирующего слоя 2 устроена композитная воздушная прослойка 6, с ребрами жесткости 7, дополнительно армирующих конструкцию теплоизоляционной оболочки, и воздушных полостей 8, снижающих теплопроводность. После композитной воздушной прослойки 6 путем наложения, образована композитная вакуумная прослойка 9, выполненная из двух рядов полимерных труб 10, в которых поддерживается неполный вакуум. Снаружи вакуумной прослойки 9 проложено защитное покрытие 11, выполненное из полимерного материала, главными критериями которого являются защита от механического воздействия и наличие низкой теплоемкости материала.
При этом в вакуумной прослойке 9 полимерные трубы 10 расположены в шахматном порядке, для максимального сокращения воздушных зазоров 12 между полимерными трубами 10 и уменьшения количества точек соприкосновений между полимерными трубами 10.
Для возможности вакуумизации композитная вакуумная оболочка теплоаккумуляционных емкостей выполняется с образованием в её верхней части сборной полости 13, в которую сводятся все полимерные трубы 10. При этом с наружной стороны корпуса сборной полости 13 предусмотрен клапан 14 для подсоединения вакуумирующего оборудования.
В процессе теплопередачи через композитную вакуумную оболочку теплоаккумуляционной емкости тепловой поток задерживается у внутренней стороны 5 композитной вакуумной оболочки теплоаккумуляционной емкости наличием на поверхности прочного армирующего слоя 2 низкотеплопроводного светоотражающего слоя 3, снижающего коэффициент тепловой отдачи излучением и коэффициент теплопроводности.
После преодоления прочного армирующего слоя 2 тепловой поток задерживается воздушными полостями 8 композитной воздушной прослойки 6, устроенной с наличием ребер жесткости 7, армирующих нагрузку термических расширений ограждающих поверхностей слоя. При этом ребра жесткости 7 являются теплопроводными элементами, имеющими более высокий коэффициент теплопроводности относительно воздушных полостей 8, для чего расположение ребер жесткости 7 выполняется с шагом, при котором ребра жесткости 7 по внешней поверхности композитной воздушной прослойки 6 прилегают к точкам касательных 15 воздушных зазоров 12 вакуумной прослойки 9. В результате чего тепловой поток через теплопроводные элементы – ребра жесткости 7 композитной воздушной прослойки 6 также задерживается.
Кроме уменьшения коэффициента теплопроводности конструкции, композитная воздушная прослойка 6 служит для снижения теплообмена излучением.
Преодолев композитную воздушную прослойку 6, тепловой поток сводится к вакуумной прослойке 9, с наличием полимерных труб 10, расположенных в шахматном порядке, максимально исключающем образование воздушных зазоров 12. В вакуумной прослойке 9 тепловой поток сводится к нулю по причине почти отсутствующей теплопроводности в вакууме (0,001-0,002 Вт/(м·ºС)) полимерных труб 10 и отсутствующего теплообмена излучением от нагретых поверхностей полимерных труб 10.
Завершающим этапом процесса теплопередачи в композитной вакуумной оболочке теплоаккумуляционной емкости является преодоление защитного покрытия 11, обладающего низким коэффициентом теплоемкости, снижающим коэффициент теплоотдачи поверхности.
Для оптимизации технико-экономического обоснования и целесообразности применения композитной вакуумной оболочки ее толщина может варьироваться в диапазоне 40-60 мм в зависимости от требуемого сокращения тепловых потерь.
Таблица 1 – Характеристики различных теплоизоляционных оболочек
Теплоизоля-ционная оболочка
Тол-щина, мм
Теплопро-водность, λ, Вт/(м·ºС)
Потери тепловой энергии при объеме емкости 200 л, q, кВт·ч/сут
Обоснование
1
2
3
4
5
Пенополиуре-тан
80
0,041
1,9
Высокая толщина теплоизоляции при оптимальной целесообразности применения
Стекловолок-но
70
0,038
Пенополисти-рол
70
0,037
Композитная вакуумная оболочка
40…60
0,002…0,01
0,1…0,5
Более низкая толщина теплоизоляции и более низкие тепловые потери
Каждый элемент композитной вакуумной оболочки теплоаккумуляционной емкости выполняется из полимерного материала имеющего низкую теплоемкость и низкий коэффициент теплопроводности.
Процесс вакуумизации объема полимерных труб 10 и сборной полости 13 осуществляется через клапан 14 для подсоединения вакуумирующего оборудования. При этом снижение давления в объеме полимерных труб 10 и сборной полости 13 осуществляется неполное, до величины 3-7% от атмосферного давления, с целью предотвращения критического роста нагрузок, увеличивающего вероятность деформации слоев из-за образующейся разности внутреннего и внешнего давлений, результатом чего является сокращение толщины слоев композитной вакуумной оболочки теплоаккумуляционной емкости с сопутствующим увеличением тепловых потерь.
Для возможности присоединения теплопотребляющих и теплогенерирующих контуров инженерных систем в композитной вакуумной оболочке теплоаккумуляционной емкости предусмотрены присоединительные патрубки 15, которые подводятся к теплоаккумуляционной емкости 1 через все слои композитной вакуумной оболочки, в том числе через ряды полимерных труб 10. С целью минимизации тепловых потерь, полимерные трубы 10 герметично прилегают по окружности к присоединительным патрубкам 15 (см. фиг. 3), для чего в области контакта с присоединительными патрубками 15 полимерные трубы 10 локально изгибают, а затем дополнительно утончают, для возможности исключения деформирования последующих в ряду полимерных труб 10. При проходе присоединительных патрубков 10 через остальные слои композитной вакуумной оболочки теплоизоляционной емкости, включая сборную полость 13, устраивается отверстие, точно повторяющее размеры присоединительного патрубка 15.
Дополнительно композитная воздушная прослойка 6 может также вакуумироваться с целью дополнительного снижения тепловых потерь путем уменьшения теплопроводности образуемой среды в воздушных полостях 8. Однако с целью поддержания достаточной износостойкости композитной вакуумной оболочки теплоаккумуляционной емкости, необходимо учитывать толщину ребер жесткости 7, для сокращения вероятности нецелесообразного увеличения материалоемкости конструкции.
Таким образом, в представленной полезной модели реализуется возможность интенсификации процесса сопротивления теплопередаче между внутренним объемом теплоаккумуляционной емкости и внешней средой через композитную вакуумную оболочку, путем формирования единой структурной слоистой конфигурации, заключающей теплоаккумуляционную емкость в замкнутый теплоизолированный объем.
Также вследствие применения исключительно полимерных материалов, исключается коррозия конструкции, что в совокупности с образуемым армированием в слоях композитной вакуумной оболочки, противодействующим воздействию термоциклического нагружения, позволяет повысить износостойкость и долговечность композитной вакуумной оболочки.
Кроме того, отсутствие органических и неорганических теплоизоляционных материалов (пенополистирола, пенополиуретана, стекловолокна и других) повышает огнестойкость конструкции, характеризуемую исключением повышенного дымообразования при горении, повышением нижнего предела воспламенения, сокращением распространения пламени и снижением объема горючего материала.