Теплоаккумулирующий элемент и тепловой аккумулятор на его основе

 

Использование: для аккумулирования теплоты фазового перехода в тепловых аккумуляторах для обогрева жилых помещений. Сущность изобретения: теплоаккумулирующий элемент выполнен в виде блока с каналами из композиционного материала, содержащего основу из жаростойкой керамики, в которой распределены гранулы из заэвтектического сплава на основе алюминия с кремнием. Композиционный материал, в частности, выполняется на основе окиси магния с гранулами из сплава на основе алюминия с 12,5-25,0 мас.% кремния с объемным содержанием гранул до 30-70% (объемн.). Описываемый теплоаккумулирующий элемент используется в качестве основы теплового аккумулятора и закреплен внутри монолитного блока из высокопористого бетона на основе материала, выбранного из группы муллит, форстерит, шамот, перлит, вермикулит. Сборка из одного или нескольких монолитных блоков теплоизолируется в металлическом контейнере с двойными стенками, пространство между которыми заполняется высокоэффективной теплоизоляцией, а также может быть использовано для организации каналов естественной или принудительной конвекции теплоносителя. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области теплоснабжения и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения жилых и производственных помещений.

Известно выполнение теплоаккумулирующего элемента в виде капсулы, заполненной плавящейся в зоне рабочих температур эвтектической смесью солей. Капсулы укладываются в общий теплоизолированный контейнер. Для организации подвода тепла к зарядно-разрядному теплообменнику и отвода тепла от него за счет испарения-конденсации применяется отдельный теплоноситель (Бекман Г. Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии. М. Мир, 1987, с. 64).

Известен также электрический нагреватель, содержащий корпус, разделенный поперечной перфорированной перегородкой на верхнюю и нижнюю камеры, первая из которых снабжена патрубком подвода нагреваемого теплоносителя, а последняя заполнена теплоаккумулирующим веществом с фазовым переходом в зоне рабочих температур и снабжена электронагревательным элементом. Электронагреватель снабжен дополнительной поперечной перегородкой, размещенной в верхней камере с образованием между дополнительной и перфорированной перегородками полости, объем которой равен разности объемов теплоаккумулирующего вещества в твердом и жидком состояниях при температуре плавления теплоаккумулирующего вещества. После включения электронагревательного элемента нагрев теплоносителя (вода) начинается только после полного расплавления теплоаккумулирующего вещества. После отключения электронагревательного элемента и начала твердения вещества в полости образуется воздушная прослойка, препятствующая отбору тепла к теплоносителю, что повышает равномерность нагрева помещения через боковые стенки корпуса. В качестве плавящегося вещества предложено использовать парафин.

На базе этого электрического нагревателя построена отопительная система, в которую отдельные электронагреватели могут быть включены как в номинальном своем положении, так и повернутыми на 180^o относительно своей горизонтальной оси. Соединение электронагревателей осуществляется трубами с помощью соединительных муфт. Электрическое соединение осуществляется резьбовыми муфтами (авт. св. 1688071 AI, МКИ⁵ F 24H 7/00, 1/20 от 30.10.91 г.).

К недостаткам известной конструкции относятся низкая эффективность подвода и съема тепла вследствие невысокой теплопроводности парафина как в твердом, так и в жидком состояниях, что ограничивает геометрические размера нагревателя. Ограничения на максимальные размеры, накладываемые низкой теплопроводностью парафина, вместе с невысокой теплотой плавления 40 кВт-час/м³ при температуре около 60^oC, приводят к высокой материалоемкости и низкой эффективности отопительной системы в целом для обогрева жилых помещений.

Задачей авторов является повышение удельной емкости единичного теплоаккумулирующего элемента и за счет этого удешевление стоимости изготовления и повышения эффективности эксплуатации теплового аккумулятора, созданного на его базе.

Для решения поставленной задачи авторами предложено теплоаккумулирующий элемент изготавливать в виде цилиндра со сквозным центральным отверстием из композиционного материала, содержащего основу из жаростойкой керамики, в которой распределены гранулы из заэвтектических сплавов на основе алюминия с кремнием. Этот теплоаккумулирующий элемент может быть выполнен как монолитным, так и виде суммы отдельных блочков. Составы жаростойкой керамики и гранул должны быть согласованы как по совместимости в рабочем диапазоне температур, так и по коэффициентам термического расширения (КТР). В частности для аккумуляторов тепла на базе Al Si сплавов, предназначенных для обогрева жилых помещений, наиболее удобными в качестве рабочих температур являются минимальные температуры плавления в системе Al Si, составляющие 577-700^oC, что отвечает составу сплава с 12,5-25 мас. кремния, а наиболее близкой по КТР керамикой для данных сплавов является керамика на основе окиси магния.

Одной из основных технических проблем, связанных с созданием тепловых аккумуляторов, на основе предлагаемых высокотемпературных элементов, является проблема высокоэффективной теплоизоляции. В предлагаемой конструкции теплового аккумулятора теплоизоляция, в частности как вариант, может быть выполнена в виде трех слоев. Первый слой выполняется из жаростойкого высокопористого бетона, в котором зафиксированы теплоаккумулирующий элемент или группа теплоаккумулирующих элементов. Исходя из функционального назначения и температурных условий работы, в качестве материала первого слоя могут использоваться, в частности, бетоны из дешевых с низкой собственной удельной плотностью и теплопроводностью материалов типа муллит, форстерит, динас, шамот, вермикулит с пористостью 50-70% При выполнении этого слоя теплоизоляции в виде прямоугольника в сечении путем постановки одного теплоизолированного блока на другой, можно организовать многоэлементный тепловой аккумулятор.

Полученная таким образом сборка, состоящая из одного или нескольких теплоаккумулирующих элементов с теплоизоляцией из пористого бетона, закрепляется через теплоизолирующие прокладки в металлическом контейнере с двойными стенками. Пространство между теплоаккумулирующей сборкой и внутренними стенками металлического контейнера заполняется высокоэффективной теплоизоляцией, например на основе минеральной ваты. Пространство между внутренней и внешней металлическими стенками является третьим теплоизоляционным слоем и в зависимости от мощности теплового аккумулятора используется для организации естественной или принудительной конвекции теплоносителя. В качестве теплоносителя в первую очередь могут использоваться воздух и/или вода.

В частности, естественная конвекция воздуха реализуется путем организации сквозных каналов на разных уровнях с регулируемым проходным сечением для управления мощностью теплосъема. Принудительная конвекция осуществляется дополнительной установкой микровентиляторов на входе воздуха в тепловой аккумулятор.

Для аппаратов большой тепловой мощности в пространство между внутренней и внешней металлической стенками дополнительно могут быть вставлены водяные теплообменники (змеевики) с естественной или принудительной циркуляцией воды.

Дополнительно, в верхней части тепловой аккумулятор может иметь съемную теплоизолирующую крышку, закрывающую плоский радиатор, служащий для приготовления пищи.

Предлагаемая конструкция позволяет существенно увеличить удельную емкость теплоаккумулирующего элемента. Так, например, для элемента с наружным диаметром 100 мм, внутренним диаметром для электрического нагревателя 15 мм и общей длиной 650 мм, изготовленного из композиционного материала на основе окиси магния с 50% по объему гранул из заэвтектического сплава Al+12,5 мас. Si, емкость теплоаккумулирования составляет 2,7 кВт-часа в рабочем диапазоне температур 300-700^oC. Сборка из четырех таких элементов будет обладать емкостью в 10 кВт-часов, а тепловой аккумулятор в целом будет иметь внешние габариты (ориентировочно) 1000х1000х400 мм. Учитывая небольшие величины плотностей используемых материалов(~ 2,5 3,0 г/см³), удельная емкость тепловыделения по отношению к активной части теплового аккумулятора составит 0,2 кВт·ч/кг или 0,6 кВт·ч/дм³.

Высокая теплопроводность используемых композиционных материалов (~ 100 Вт/м ^oК) позволяет при необходимости наращивать единичную емкость ТА без каких-либо ограничений, а многослойная конструкция теплоизоляции обеспечивает эффективное ограничение температуры внешних теплоотдающих поверхностей.

На чертеже приведена конструкция теплового аккумулятора.

Он состоит из теплоаккумулирующих элементов 1, изготовленных из композиционного материала, состоящего из жаростойкой керамики и гранул из Al-Si-сплава, в сквозное центральное отверстие 2 вставлен трубчатый электрических нагреватель 3. Монолитный блок из высокопористого бетона 4 служит первым слоем теплоизоляции. Сборка из теплоаккумулирующих элементов закреплена в металлическом контейнере с двойными стенками 5 и 6. Пространство между сборкой и стенками металлического контейнера заполнено высокоэффективной теплоизоляцией 7. В пространстве между внутренней и наружной металлическими стенками могут быть организованы каналы для съема запасенного тепла с помощью воздуха 8 и/или воды 9. В верхней части теплового аккумулятора находится теплоизолирующая съемная крышка 10, открывающая доступ к плоскому радиатору 11, служащему для приготовления пищи.

Работает тепловой аккумулятор следующим образом. При подключении электропитания к электрическим нагревателям в них происходит выделение тепла, которое передается окружающему композиционному материалу теплоаккумулирующего элемента. Материал, обладая высокой теплопроводностью, быстро разогревается. Гранулы, входящие в его состав, расплавляются. При этом аккумулируется теплота плавления, составляющая от 100 до 300 кВт·час/м³ термодинамически высокоэффективной энергии в зависимости от объемной доли гранул Al-Si-сплава в составе теплоаккумулирующих элементов без учета внутреннего теплосодержания. После полного их расплавления процесс накопления тепла заканчивается и электрические нагреватели отключаются. Запасенное тепло передается в помещение через слои теплоизоляции и излучается преимущественно фронтальными панелями. При необходимости увеличить тепловой поток используются каналы воздушного охлаждения и/или водяные радиаторы. По мере расходования запасенного тепла происходит затвердевание гранул Al-Si-сплава по направлению к центру теплоаккумулирующего элемента. После полного затвердевания гранул тепловой аккумулятор готов к повторному циклу.

Указанный тепловой аккумулятор изготавливается следующим образом. Теплоаккумулирующее вещество, содержащее гранулы выбранного состава Al-Si-сплава с объемным содержанием 30-70% замешивается вместе с керамической массой на основе окиси магния, формируется в виде цилиндрической заготовки с центральным отверстием и затем подвергается реакционному спеканию. Полученные таким образом элементы, по отдельности или в виде группы, заформовываются внутрь жаростойкого высокопористого бетона прямоугольной формы на основе легких с низкой собственной теплопроводностью материалов, выбранных из группы муллит, форстерит, шамот, перлит, вермикулит. Полученный блок вместе с вставленными электрическими нагревателями, теплоизоляцией устанавливается в металлическом контейнере с двойными стенками. При необходимости увеличить теплосъем организуются каналы для циркуляции теплоносителя (вода или воздух).

Формула изобретения

1. Теплоаккумулирующий элемент, содержащий плавящееся при рабочих температурах вещество, отличающийся тем, что он выполнен в виде блока с каналами из композиционного материала, содержащего основу из жаростойкой керамики, в которой распределены гранулы из заэвтектического сплава на основе алюминия с кремнием.

2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что композиционный материал выполнен на основе оксида магния с гранулами из сплава на основе алюминия с 12,5 25,0 мас. кремния с объемным содержанием гранул 30 70 об.

3. Тепловой аккумулятор, содержащий корпус, внутри которого расположены теплоаккумулирующие элементы, аккумулирующие тепло за счет теплоты плавления, электрические нагреватели, теплоизоляция, отличающийся тем, что теплоаккумулирующий элемент или группа теплоаккумулирующих элементов по п.1 закреплены на теплоизяторах в металлическом контейнере с двойными стенками так, что пространство между сборкой из теплоаккумулирующих элементов и стенками заполнено высокоэффективной теплоизоляцией, например минеральной ватой и/или высокопористым жаростойким бетоном, а пространство между внутренней и внешней стенками дополнительно используется для организации естественной или принудительной конвекции теплоносителя.

4. Аккумулятор по п. 3, отличающийся тем, что в его верхней части дополнительно установлен плоский радиатор, закрываемый сверху съемной теплоизолирующей крышкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1