АККУМУЛЯТОР ТЕПЛА
HEAT ACCUMULATOR

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к устройствам для аккумуляции тепла (холода), и может использоваться для аккумулирования тепловой энергии в системах теплоснабжения и холодной энергии в системах кондиционирования.
Известен теплоаккумулятор (SU №1239472, кл. F24H 7/04, опубл. 1986), содержащий корпус с пластинчатыми теплообменными элементами, образующими каналы, заполненные через один веществом фазового перехода, причем в корпусе со стороны торцов теплообменных элементов дополнительно установлены торцовые перегородки из теплопроводного материала, подвижные на участках каналов, заполненных веществом фазового перехода, и образующие полости, подключенные к источнику нагрева, а теплообменные элементы частично размещены внутри полости.
Известно изобретение, относящееся к способу работы аккумулятора тепла (SU №1288458, кл. F24H 7/00, опубл. 1987), заключающееся в поочередном пропускании параллельными потоками теплообменивающихся сред вдоль обеих поверхностей блоков, заполненных веществом, претерпевающим фазовые переходы при его нагревании и охлаждении, причем потоки каждой теплообменивающейся среды по обе стороны каждого блока пропускают во взаимно противоположных направлениях.
Основным недостатком указанных аккумуляторов тепла является недостаточно динамичные зарядно-разрядные характеристики плоских каналов, заполненных веществом фазового перехода, что обусловлено отсутствием их непосредственного теплового контакта с теплоносителем, циркулирующим между пластинчатыми элементами, которые в данном случае представляют собой промежуточное термическое сопротивление. Кроме того, наличие незаполненных веществом фазового перехода плоских каналов снижает тепло-аккумулирующую способность теплоаккумулятора.
Наиболее близким к заявленному является известный теплоаккумулятор (SU №1776931, кл. F24H 7/00, опубл. 1992), содержащий корпус с пластинчатыми теплообменными элементами, подключенными к циркуляционному контуру одного из теплоносителей и образующими между собой каналы, часть из которых заполнена веществом фазового перехода, при этом аккумулятор теплоты снабжен трубами, подключенными к контуру второго теплоносителя и установленными в упомянутых каналах с обеспечением контакта с теплообменными элементами, при этом оставшаяся часть каналов также заполнена веществом фазового перехода.
Недостатками известного аккумулятора тепла являются недостаточно динамичные зарядно-разрядные характеристики теплообмена, а также неравномерный отвод тепла в обогреваемое помещение из-за неравномерности температуры в объеме теплоаккумулирующего вещества.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности процесса зарядки-разрядки аккумулятора тепла за счет увеличения поверхности теплообмена между теплопередающей и теплоаккумулирующей средой, повышение интенсификации процесса зарядки аккумулятора за счет размещения в теплоаккумулирующей среде материалов с коэффициентом теплопроводности, превышающим коэффициент теплопроводности теплоаккумулирующего вещества, за счет чего увеличивается энергоемкость циклов заряд-разряд, а также за счет особенностей конструкции заявленного аккумулятора.
Поставленная задача решена тем, что аккумулятор тепла содержит контейнер, заполненный теплоаккумулирующей средой фазового перехода, размещенные в контейнере теплообменные элементы и трубы с теплоносителем, образующие змеевики и имеющие непосредственный контакт с теплообменными элементами, причем теплообменные элементы выполнены из металлической сетки, трубы с теплоносителем выполнены гофрированными, металлические сетки с трубами образуют кассеты, теплоноситель в трубах соседних кассет пропускают в противоположных направлениях, пространство между кассетами заполнено металлической теплопроводной структурой, трубы соседних кассет расположены в шахматном порядке, причем соотношение расстояния между осями соседних труб и диаметра труб в зависимости от коэффициента теплопроводности теплоаккумулирующей среды фазового перехода в твердом состоянии определяется формулой
0,18<λ·ℓ/π·d<0,26,
где λ - коэффициент теплопроводности теплоаккумулирующей среды фазового перехода, Вт/м·°С;
ℓ - расстояние между осями соседних труб, м;
π - число, равное 3,14;
d - диаметр трубы, м.
Контейнер аккумулятора тепла выполнен из полиэтилена или стали с теплоизоляцией. Металлическая теплопроводная структура выполнена из стальной, алюминиевой, медной, латунной проволоки или проволочного плетения (путанки).
Сущность изобретение поясняется подробнее чертежами и описанием к ним.
На фиг.1 схематично изображен аккумулятор тепла, поперечный разрез; на фиг.2 - аккумулятор тепла, продольный разрез; на фиг.3 - аккумулятор тепла, вид сверху; на фиг.4 - аккумулятор тепла, разрез А-А на фиг.1.
Аккумулятор тепла содержит контейнер (корпус) 1, выполненный из полиэтилена или тонкостенной стали и снабженный с внутренней стороны теплоизоляцией 2 (например, полистирол, к-flex и др.) и герметичной эластичной оболочкой (мембранный вкладыш) 3. Контейнер заполнен теплоаккумулирующей средой фазового перехода 4 (например, парафином). В контейнере размещены кассеты 5, образуемые из теплообменных элементов - металлических сеток 6 с закрепленными на них змеевиками из гофрированных труб 7 для теплоносителя, подсоединенных к коллектору 8. Теплоноситель в трубах соседних кассет пропускают в противоположных направлениях. Пространство между кассетами, а также между изгибами змеевика заполнено металлической теплопроводной структурой 9, выполненной из стальной, алюминиевой, медной, латунной проволоки или проволочного плетения (путанки). Трубы соседних кассет расположены в шахматном порядке, причем соотношение расстояния между осями соседних труб и диаметра труб в зависимости от коэффициента теплопроводности теплоаккумулирующей среды фазового перехода в твердом состоянии определяется формулой 0,18<λ·ℓ/π·d<0,26, где λ - коэффициент теплопроводности теплоаккумулирующей среды фазового перехода, Вт/м·°С; ℓ - расстояние между осями соседних труб, м; π - число, равное 3,14; d - диаметр трубы, м. Данная формула применима для суточного режима разрядки-зарядки.
Аккумулятор тепла работает следующим образом.
В режиме зарядки аккумулятора тепла теплоноситель (горячая вода) через подающий и обратный коллекторы 8 подается в гофрированные трубы змеевиков 7, приваренных к металлическим сеткам теплообменных элементов 6, образующих кассеты 5. Трубы соседних кассет расположены в шахматном порядке с определенным соотношением расстояния между осями соседних труб и их диаметром. При этом трубы соседних кассет подключены к коллектору таким образом, что течение теплоносителя (горячей воды) в них осуществляется во взаимно противоположных направлениях. Поток теплоносителя протекает по змеевику и через гофрированную поверхность труб отдает тепло теплоаккумулирующей среде фазового перехода 4. Теплоаккумулирующая среда фазового перехода 4 плавится, аккумулируя подводимое тепло. Металлическая сетка 6 имеет коэффициент теплопроводности выше, чем коэффициент теплопроводности теплоаккумулирующей среды, в связи с чем процесс зарядки аккумулятора происходит быстрее. Интенсификация процесса зарядки аккумулятора тепла также значительно возрастает за счет размещения в объеме теплоаккумулирующей среды металлической теплопроводной структуры 9, имеющей коэффициент теплопроводности выше коэффициента теплопроводности теплоаккумулирующей среды (λ). Теплопроводная структура выполнена из стальной, алюминиевой, медной, латунной проволоки или проволочного плетения (путанки) и занимает примерно 8-10% объема теплоаккумулирующей среды.
Зарядка аккумулятора тепла, как правило, производится в ночное время при пониженных тарифах на электроэнергию, разрядка - в дневные часы.
В режиме разрядки аккумулятора тепла холодная вода прокачивается через гофрированные трубы змеевиков 7, постепенно отбирая скрытое тепло фазового перехода у теплоаккумулирующей среды 4. Нагретая таким образом вода поступает потребителю. Теплоаккумулирующая среда изменяет свое агрегатное состояние, при этом металлические сетки теплообменных элементов 6 и металлическая теплопроводная структура 9 способствуют более равномерному отбору скрытого тепла, не допуская зон застоя. Этому же способствует размещение труб на соседних кассетах в шахматном порядке и протекание теплоносителя в трубах соседних кассет в противоположном направлении.
Гофрированный профиль труб с теплоносителем не только увеличивает поверхность контакта теплоносителя и теплоаккумулирующей среды, но и способствует улучшению теплообмена за счет образования турбулентных вихрей на кольцевых выступах и впадинах гофрированного профиля. Кроме того, гофрированная труба компенсирует температурную деформацию, возникающую в процессе зарядки и разрядки аккумулятора тепла.
Наличие металлических сеток и металлической теплопроводной структуры способствуют более полному и равномерному фазовому переходу теплоаккумулирующего вещества. Этому же способствует направление течения теплоносителя в гофрированных трубах соседних кассет противотоком благодаря тому, что в одном участке (объеме) контейнера расположены соседние кассеты, на одной из которых в гофрированную трубу втекает более нагретый теплоноситель (при зарядке аккумулятора), а на соседней кассете в этом же участке (объеме) контейнера из гофрированной трубы вытекает теплоноситель, частично отдавший тепловую энергию теплоаккумулирующему веществу.
Соотношение расстояния между осями соседних труб и диаметра труб в зависимости от коэффициента теплопроводности теплоаккумулирующей среды фазового перехода в твердом состоянии определяется формулой
0,18 < λ (Вт/м·°C) ·ℓ (м) / π · d(м) < 0,26
Повышение соотношения более 0,26 нецелесообразно, поскольку снижается интенсивность процесса зарядки аккумулятора, аккумулятор не успеет зарядиться за ночь. Снижение соотношения менее 0,18 также нецелесообразно, поскольку для поддержания необходимой эффективности процесса пришлось бы увеличить плотность труб, однако в этом случае снижается объем теплоаккумулирующей среды (ТАМ).
Предложенный аккумулятор тепла может быть использован также и в качестве аккумулятора холода, например, в системах кондиционирования воздуха. Зарядка аккумулятора холода осуществляется в ночное время при пониженных тарифах на электроэнергию, разрядка - в дневные часы. Принцип работы заявленного аккумулятора в качестве аккумулятора холода состоит в следующем: на стадии зарядки теплоноситель, протекающий по трубам, отбирает тепло у теплоаккумулирующей среды (среды фазового перехода), например, парафина, переводя его в твердое состояние. В дневное время используют холод, получаемый от плавления теплоаккумулирующей среды, аккумулятор разряжается.
Таким образом, предложенный аккумулятор тепла (холода) способствует повышению эффективности процесса зарядки-разрядки аккумулятора за счет увеличения поверхности теплообмена между теплопередающей и теплоаккумулирующей средой, интенсифицирует процесс зарядки-разрядки аккумулятора за счет размещения в теплоаккумулирующей среде материалов с коэффициентом теплопроводности, превышающим коэффициент теплопроводности теплоаккумулирующего вещества, что в свою очередь увеличивает энергоемкость циклов заряд-разряд. Достигнутые результаты позволяют рекомендовать заявленное изобретение для широкого внедрения в различных областях теплоснабжения с аккумулированием тепла и системах кондиционирования с аккумулированием холода.