Конструкция теплоизолирующего корпуса

 

Использование: высокотемпературные химические источники тока. Сущность изобретения: устройство состоит из внешней и внутренней тонкостенных герметичных оболочек с вакуумной полостью между ними, заполненной теплоизоляционными материалами или экранно-вакуумной изоляцией. Между оболочками размещены дистанционаторы, выполненные не менее чем из двух элементов, каждый из которых контактирует не более чем с одной из оболочек. Элементы дистанционаторов могут быть выполнены в виде полос или ребер, плоскости которых контактируют с одной из оболочек и пересекаются с плоскостями полос или ребер, контактирующих с другой оболочкой, либо в виде решеток, ячейки одной из которых, контактирующей с одной оболочкой, сдвинуты относительно ячеек решетки, контактирующей с другой оболочкой. В стыке между элементами дистанционаторов могут быть расположены экраны экранно-вакуумной изоляции. Места касаний дистанционирующих элементов могут быть покрыты теплоизоляционным материалом. Это обеспечивает низкий коэффициент теплопроводности при ограниченной массе и толщине теплоизоляции и уменьшение трудоемкости изготовления. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для теплоизоляции, например, высокотемпературных аккумуляторных батарей (систем натрий-сера/раб.темп. 300 350^oC/, натрий-хлорид никеля (250 - 370^oC/, литий-сульфид железа (400 480^oC) и др.

Корпуса батарей такого типа, применяемых для питания тяговых двигателей транспортных средств, а также в системах с непостоянным первичным источником энергии (ветер, солнце и др.), должны позволять поддерживать соответствующую температуру внутри рабочего объема при отключении батареи от нагрузки на несколько часов (1-10 ч). При использовании недостаточно эффективной теплоизоляции ее объем может занимать до 50-80% объема батареи, что неприемлемо для большинства транспортных установок. Например, серно-натриевые аккумуляторные батареи (СНАБ), используемые в транспортных установках, должны иметь систему термостатирования с массой не более 30% от общей массы батареи, объемом 10-20% от объема батареи и при выполнении комплекса требований по прочности корпуса, эксплуатируемого на транспортном средстве, должна надежно функционировать 3-10 лет.

Известна конструкция теплоизолирующего корпуса с применением экрано-вакуумной изоляции (ЭВИ), которая позволяет наиболее эффективно термостатировать рабочий объем батареи (1). Эффективность ЭВИ обусловлена низким коэффициентом теплопроводности (0,002 Вт/град. при вакууме порядка 0,01 мм рт.ст. ). Условием достижения такого коэффициента является наличие глубокого вакуума в объеме, где расположены экраны ЭВИ, свободное (с зазором относительно друг друга) расположение экранов и их непрерывность по всей площади изолируемой поверхности.

Недостатком такой конструкции являются проблемы, связанные с поддержанием глубокого вакуума в объеме, занимаемом теплоизоляцией, и обусловленные невозможностью использования тонкостенных корпусов в наземных условиях из-за "схлопывания" стенок. Наиболее остро проблема стоит при использовании корпусов с плоскими стенками. Учитывая, что корпус с плоскими стенками наиболее распространенная форма корпуса наземных высокотемпературных батарей, возможность использования в них экранно-вакуумной теплоизоляции без увеличения массы за счет утолщения стенок приобретает особую актуальность. При увеличении толщины стенок корпуса недопустимо возрастает вес конструкции, а при использовании жестких дистанционаторов, касающихся обеих стенок корпуса, нарушается целостность экранов и появляются "мостики" с увеличенной теплопроводностью, что резко увеличивает коэффициент эффективной теплопроводности.

Известна конструкция теплоизолирующего корпуса высокотемпературной аккумуляторной батареи с применением тепловой изоляции, содержащей герметичную полость с теплоизолирующим материалом, при этом вакуумная полость заполнена мелким порошком изолирующего материала, который в части полости плотно спрессован. Каждая стенка изоляции содержит по меньшей мере один уплотненный участок. Основной слой изоляции с плотностью 0,35 г/см³ состоит из керамического порошка SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, CaSiO₄ или MgO. Полость ограничивают стенки из Ni, Cr. К изоляционному порошку может подмешиваться материал, снижающий излучающие свойства, например оксид титана (2). Такого рода теплоизоляция имела последующее развитие, например предложена тепловая изоляция для серно-натриевых батарей. Теплоизоляционный материал, заполняющий герметичную изолированную полость в тонкостенном двухслойном контейнере, представляет собой смесь (в соотношении 1:1:1) трех порошкообразных компонентов, обладающих низкими коэффициентами теплопроводности по инфракрасному излучению. Первый компонент оксид титана, второй компонент ферромагнитный материал (Fe₃O₄), имеющий иглообразную структуру. Под влиянием внешнего магнитного поля кристаллы так ориентированы, что продольная ось игл перпендикулярно направлена к температурному градиенту излучения. Третий компонент оксиды редкоземельных металлов, обладающих малой теплопроводностью. Для увеличения механической прочности добавляют высокодисперсную кремневую кислоту (50 60% от общей массы теплоизоляции) и стекловолокно (5 10%). Характеристики такой композиции: пористость 0,83 0,95, плотность 0,75 г/см³ (3). С увеличением пористости такой изоляции ее коэффициент теплопроводности достигает достаточно низких значений (0,005 Вт/м* К).

Недостатки такой изоляции вытекают из необходимости обеспечить механическую прочность порошковой засыпки. Использование высокодисперсных порошков снижает пористость и увеличивает плотность порошковой композиции, что ведет к увеличению массы теплоизоляции и коэффициента теплопроводности. Применение плотных, высокодисперсионных порошков резко ухудшает вакуумные условия при откачке и эксплуатации теплоизоляции. Кроме того, работа с порошками разной дисперсности является в производственных условиях серьезной проблемой.

Известна экрано-вакуумная тепловая изоляция, содержащая металлические экраны, разделенные прокладками из стекловолокна, помещенная в герметичный кожух с глубоким вакуумом, в которой металлические экраны выполнены двухслойными, причем один слой имеет выштампованные в нем полости, заполненные теплоаккумулирующим веществом (4). Это техническое решение трудоемко при изготовлении.

Наиболее близким к заявляемой конструкции термостатирующего корпуса аккумуляторной батареи, по технической сущности прототипом, является конструкция, в которой используется экрано-вакуумная изоляция, расположенная в зазоре между тонкими стенками корпуса. Нагрузка от атмосферного давления вакуумированного корпуса воспринимают специальные дистанционаторы, расположенные равномерно по объему зазора между стенками корпуса и представляющие собой стержни из прочного материала (металла, керамики), имеющие контакт с внешней и внутренней стенкой корпуса. Стержни проходят через специальные сквозные отверстия (пазы) в экранах ЭВИ, занимая 5 20% площади изолируемой поверхности (5).

Недостатком этой конструкции является увеличение тепловых потерь за счет теплопроводности дистанционаторов, имеющих контакт с внутренней и наружной стенками, и нарушения сплошности экранов ЭВИ, что ухудшает отражение инфракрасного излучения и увеличивает коэффициент теплопроводности ЭВИ.

На основании изложенного можно сделать вывод, что состояние уровня техники в области теплоизоляции для корпусов высокотемпературных батарей характеризуется возрастанием массы и толщины теплоизоляции, а также увеличением трудоемкости ее изготовления для обеспечения низкого коэффициента теплопроводности.

Целью изобретения является создание теплоизоляции для корпуса высокотемпературной батареи, обеспечивающей низкий коэффициент теплопроводности при ограниченной массе и толщине теплоизоляции, менее трудоемкой в изготовлении.

Поставленная цель достигается тем, что в теплоизолирующем корпусе, состоящем из внешней и внутренней тонкостенных герметичных оболочек с вакуумной полостью между ними, дистанционирующих элементов и порошково-волокнистых материалов или экранно-вакуумной изоляции, дистанционирующие элементы выполнены не менее чем из двух частей, каждая из которых контактирует не более чем с одной из оболочек корпуса. Элементы дистанционаторов могут быть выполнены в виде полос или ребер, причем плоскости полос или ребер, контактирующих с одной из оболочек, пересекаются с плоскостями полос или ребер, контактирующих с другой оболочкой.

Элементы дистанционаторов также могут быть выполнены в виде решеток, причем ячейки решетки, контактирующей с одной оболочкой, сдвинуты относительно ячеек решетки, контактирующей с другой оболочкой.

Кроме того, в стыке между дистанционирующими элементами могут быть расположены экраны экрано-вакуумной изоляции, не имеющие нарушений сплошности. Места касаний дистанционирующих элементов с корпусами или друг с другом могут быть покрыты теплоизоляционным материалом.

Элементы дистанционатора в вакуумной полости между внутренней и внешней тонкостенными герметичными оболочками теплоизолирующего корпуса необходимы для предотвращения схлопывания оболочек при вакуумировании, а также для обеспечения условий, при которых теплоизоляционные материалы (порошково-волокнистая, экрано-вакуумная изоляции и т.д.) имеют максимально низкий коэффициент теплопроводности. Так, например, экраны экрано-вакуумной изоляции имеют коэффициент теплопроводности 0,002 Вт/м·град только в случае, когда экраны не прижимаются друг к другу, если же они сжаты, их коэффициент теплопроводности может возрасти более чем на порядок, поэтому дистанционирующие элементы должны быть расположены так, чтобы мест пережатия экрано-вакуумной изоляции было как можно меньше. Кроме того, использование экранно-вакуумной изоляции, как показывают расчетно-экспериментальные исследования, наиболее эффективно при отсутствии нарушений сплошности ее слоев, то есть когда коэффициент отражения инфракрасного излучения имеет максимальное значение. В свою очередь, дистанционаторы, удерживающие стенки корпуса, являются тепловыми мостиками между внешней и внутренней стенками и нарушение их сплошности приводит к возникновению дополнительных контактных тепловых сопротивлений, что уменьшает интегральный коэффициент теплопроводности изоляции. Как и в прототипе, сохраняется возможность уменьшить тепловые потери за счет уменьшения площади дистанционаторов при увеличении их прочностных свойств.

Элемент дистанционатора может представлять собой решетку, отдельные полосы, стержни и т. д. способные выдержать нагрузку со стороны оболочки корпуса, которая в общем случае складывается из усилия, вызванного перепадом давлений между вакуумным объемом корпуса и атмосферным давлением окружающей среды, массой внутреннего оборудования батареи и динамических нагрузок на корпус. Каждая из элементов дистанционатора может иметь контакт только с одной из оболочек или с другим элементом дистанционатора. Например, в дистанционаторе, составленном из двух решеток, каждая из них имеет контакт с одной из оболочек и с соседней решеткой, но не контактирует одновременно с обеими оболочками корпуса.

Материалом для элемента дистанционатора может служить любой материал, способный выдерживать указанную нагрузку в условиях рабочих температур. Выбор материала определяется наименьшим коэффициентом теплопроводности при прочих равных условиях.

В случаях, когда в качестве материала дистанционирующего элемента используется теплопроводный материал (например металл), зоны контакта элемента и оболочек можно разделить введением прокладок из малотеплопроводных материалов, что приводит к увеличению контактного сопротивления и уменьшению интегрального коэффициента теплопроводности теплоизоляции. Аналогичным приемом можно увеличить контактное сопротивление в зонах контактов частей дистанционирующего элемента. Расположение между стальными решетками, например, 10-20 экранов экрано-вакуумной изоляции снижает интегральный коэффициент теплопроводности изоляции в 1,5-2 раза.

Кроме того, решетки или полосы, соединенные с оболочками, могут служить ребрами, существенно увеличивающими жесткость оболочки, что, в свою очередь, позволяет при прочих равных условиях уменьшить толщину оболочки.

Контактное сопротивление между частями дистанционирующего элемента и между элементом и оболочкой можно существенно увеличить за счет сокращения площади контакта между ними. В частности, при использовании решеток из полос металла в качестве дистанционирующего элемента, достаточно сместить плоскости полос соседних решеток относительно друг друга, чтобы уменьшить площадь теплового контакта между ними до сотых долей процента от общей площади теплопередающей поверхности. Как показывает расчетно-экспериментальная проверка, при использовании, например, стальных решеток с секциями 120 х 100 мм толщиной 0,8 мм с пересекающими плоскостями механическая прочность и устойчивость решеток обеспечиваются при действующих нагрузках, в то же время интегральный коэффициент теплопроводности за счет уменьшения площади контакта металлических поверхностей уменьшается более, чем в три раза по сравнению с теплоизоляцией с одной решеткой, контактирующей с обеими оболочками.

Площадь контакта дистанционирующего элемента и оболочки может быть уменьшена за счет выполнения специальных выборок на контактирующей поверхности дистанционирующего элемента (см. описание примера конкретного исполнения.

Дистанционаторы могут быть изготовлены из теплоизоляционного материала, в частности, если в качестве материала дистанционаторов использовать полосы из достаточно прочной порошково-волокнистой изоляции, например, ТЭМК-25 (коэффициент теплопроводности 0,05 Вт/м·град на воздухе, 0,02 Вт/м·град в вакууме, то при отношении толщины полос к расстоянию между ними как 1:3 и расположении между полосами экрано-вакуумной изоляции, как показала расчетно-экспериментальная проверка, интегральный коэффициент теплоизоляции толщиной 20 мм составил 0,0068 Вт/м·град.

Дополнительное уменьшение интегрального коэффициента теплопроводности изолирующего слоя достигается покрытием контактирующих поверхностей дистанционаторов теплоизоляционными материалами.

На фиг. 1 приведен схематический чертеж поперечного сечения батареи в варианте с комбинированной изоляцией; на фиг. 2 элемент конструкции теплоизоляции в увеличенном масштабе (узел I, фиг.1) и вид в плане по стрелке А. На виде А условно не показаны внутренняя оболочка 2 и экраны ЭВИ 6.

Корпус батареи состоит из внешней 1 и внутренней 2 оболочек, между которыми расположен вакуумный объем с размещенной в нем теплоизоляцией. Внутри корпуса расположены аккумуляторы 3 и вспомогательное оборудование. Дистанционирующий элемент состоит из решетки 4, имеющей контакт с внутренней оболочкой 2, и решетки 5, находящейся в контакте только с внешней оболочкой 1.

Между решетками дистанционатора уложены экраны ЭВИ 6. Такие же экраны могут быть установлены между решетками и оболочками корпуса. Внутри ячеек каждой решетки расположены панели порошково-волокнистой изоляции 7, содержащей поглощающие и отражающие компоненты.

Для увеличения термического сопротивления между решетками и оболочками ребра решеток выполнены с выборками 8, позволяющими уменьшить площадь контакта, и, кроме того, на контактирующие поверхности могут быть нанесены покрытия 9 из материалов с низким коэффициентом теплопроводности.

Пример конкретного исполнения.

Разработана и проходит испытания сернонатриевая батарея, включающая в себя 56 аккумуляторов, емкостью по 50 Д·ч каждый, объединенных в две секции по 28 аккумуляторов. Энергоемкость батареи составляет 5 кВт·ч. Секции батареи размещены в корпусе, имеющем следующие габаритные размеры: длина 575 мм, ширина 520 мм и высота 360 мм. Корпус состоит из внешней и внутренней герметичных оболочек (нержавеющая сталь, толщина 0,8 мм), разделенных зазором 40 мм. Объем между оболочками вакуумируется до давления 0,01 мм рт.ст.

В вакуумном объеме корпуса батареи располагается теплоизоляция, состоящая из двух дистанционирующих решеток, изготовленных из стали толщиной 0,8 мм, между которыми располагаются экраны ЭВТИ в количестве 20 шт. Кроме того, экраны ЭВТИ установлены между внутренним корпусом и одной из решеток (20 шт. ) и между наружным корпусом и второй решеткой (10 шт.). Ребра каждой решетки образуют прямоугольники с размером сторон 100 х 120 мм. Между собой решетки смещены так, чтобы любой узел одной из решеток находился напротив центра ячейки другой решетки. Для уменьшения теплового контакта на торцевых поверхностях ребер, контактирующих с оболочками, выполнены выборки с шагом 25 мм при длине контактной зоны 5 мм. Глубина выборки 7 мм.

Экраны ЭВТИ, расположенные между решетками, дистанционируются между собой керамической вуалью. Зоны сжатия экранов, находящиеся в местах контактов решеток между собой и с оболочками корпуса, не превышают по площади одного процента от общей площади теплопередающей поверхности корпуса. Экраны изготовлены в виде мешков и не имеют нарушений сплошности (кроме перфорационных отверстий для облегчения откачки).

Тепловые потери такого корпуса составили 180 Вт. Корпус с аналогичными параметрами, в котором использовались порошково-волокнистая изоляция типа ТЭМК-25, имел тепловые потери 320 Вт.

Как показывают расчетно-экспериментальные исследования, скорость охлаждения корпуса с такой теплоизоляцией при охлаждении от 350 до 300^oС ниже скорости охлаждения корпуса со сплошной теплоизоляцией ТЭМК-25 более, чем в 4 раза.

В настоящее время экономический эффект в денежном выражении не может быть рассчитан, поскольку технология изготовления тепловой изоляции находится в стадии опытной отработки. Однако указанные технические преимущества позволяют сделать вывод о несомненной полезности предлагаемой тепловой изоляции.

Формула изобретения

1. Конструкция теплоизолирующего корпуса высокотемпературной батареи, состоящего из внешней и внутренней тонкостенных герметичных оболочек с вакуумной полостью между ними, заполненной теплоизоляционными материалами или экранно-вакуумной изоляцией, с размещенными в них дистанционаторами, отличающаяся тем, что дистанционаторы выполнены не менее, чем из двух элементов, каждый из которых имеет контакт не более, чем с одной из оболочек корпуса.

2. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что элементы дистанционаторов выполнены в виде полос или ребер, причем плоскости полос или ребер, контактирующих с одной из оболочек, пересекаются с плоскостями полос или ребер, контактирующих с другой оболочкой.

3. Конструкция теплоизолирующего корпуса по п.1, отличающаяся тем, что элементы дистанционаторов выполнены в виде решеток, причем ячейки решетки, контактирующей с одной оболочкой, сдвинуты относительно ячеек решетки, контактирующей с другой оболочкой.

4. Конструкция теплоизолирующего корпуса по п.1, отличающаяся тем, что в стыке между элементами дистанционаторов расположены экраны экрано-вакуумной изоляции.

5. Конструкция теплоизолирующего корпуса по п.1, отличающаяся тем, что места касаний дистанционирующих элементов покрыты теплоизоляционным материалом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2