Способ, тепловой аккумулятор и система аккумулирования тепла для нагревания и охлаждения рабочей текучей среды



Способ, тепловой аккумулятор и система аккумулирования тепла для нагревания и охлаждения рабочей текучей среды
Способ, тепловой аккумулятор и система аккумулирования тепла для нагревания и охлаждения рабочей текучей среды

 


Владельцы патента RU 2589885:

ОПЕЛЬ, Оливер (DE)
РУК, Вольфганг (DE)

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в тепловых аккумуляторах для нагревания и охлаждения рабочей текучей среды с использованием по меньшей мере одной термохимической теплоаккумулирующей среды. Сущность способа в том, что рабочую текучую среду пропускают по меньшей мере через один термохимический тепловой аккумулятор, содержащий теплоаккумулирующую среду, без контакта с последней; причем при зарядке теплоаккумулирующей среды в нее передается тепловой поток от рабочей текучей среды и из теплоаккумулирующей среды выделяется по меньшей мере одно вещество, которое выводят из теплового аккумулятора, а при разрядке теплоаккумулирующей среды указанное вещество подают при выделении тепла в теплоаккумулирующую среду или по меньшей мере в один продукт реакции теплоаккумулирующей среды, образованный при ее зарядке, и тепловой поток передается в рабочую текучую среду, при этом зарядку теплоаккумулирующей среды выполняют при пониженном уровне давления, а ее разрядку выполняют при повышенном уровне давления. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к способу, тепловому аккумулятору и системе аккумулирования тепла для нагревания и охлаждения рабочей текучей среды с использованием по меньшей мере одной термохимической теплоаккумулирующей среды.

В традиционных тепловых аккумуляторах используют такие аккумулирующие среды, как вода, которые отличаются высокой теплоемкостью. Аккумулируется «физическое» или «ощутимое» тепло. Более высокой плотности энергии достигают, если аккумулирующая среда в температурном диапазоне между зарядкой и разрядкой изменяет агрегатное состояние. Преимуществом этих сред, аккумулирующих скрытое тепло, является малое повышение температуры аккумулятора при большом поглощении тепла. Однако при аккумулировании ощутимого и скрытого тепла для долговременного аккумулирования требуется изоляция аккумулятора.

При термохимическом аккумулировании аккумулируемое тепло не является физическим. Подходящими обратимыми реакциями в низкотемпературном диапазоне являются в том числе сорбционные процессы, например абсорбция или адсорбция рабочей среды твердым веществом. Такой сорбционный аккумулятор заряжают посредством того, что путем подвода тепла из термохимической аккумулирующей среды выделяют испаряющееся вещество, например воду. С этой целью в аккумулирующую среду можно подавать горячий сухой газовый поток, при этом вода, вытесняемая при зарядке в результате десорбции, поглощается горячим сухим газовым потоком и выходит вместе с ним из аккумулятора. Охлажденный таким образом влажный газовый поток выводят в окружающую среду. Чтобы впоследствии выделить сорбционное тепло, в заряженную аккумулирующую среду подают водяной пар, при захвате которого сорбционным материалом высвобождается энергия связи в форме тепла.

Известны термохимические аккумулирующие материалы, при подводе тепла к которым в результате химической реакции происходит выделение вещества (зарядка). Если это вещество впоследствии подавать в заряженный аккумулирующий материал, то в результате обратной химической реакции происходит выделение реакционного тепла (разрядка). Например, известны термохимические аккумулирующие материалы, в которых при подаче тепла происходит реакция разложения и образуются по меньшей мере один продукт разложения и одно (испаряющееся) вещество. Если позднее к продукту разложения снова подают вещество, то выделяется реакционное тепло.

При использовании известных термохимических аккумулирующих материалов для нагревания и/или охлаждения рабочей текучей среды, которую пропускают через термохимическую аккумулирующую среду, вещество, выделяющееся при зарядке теплоаккумулирующей среды, поглощается рабочей текучей средой, при этом могут возникать проблемы из-за концентрации и/или присутствия выделившегося вещества в рабочей текучей среде. Например, если в процессе десорбции или при реакции разложения выделяется вода и поглощается рабочей текучей средой, то концентрация водяного пара в рабочей текучей среде возрастает, что может привести к нежелательной конденсации при последующем использовании рабочей текучей среды. Если выделенное при зарядке вещество отводится вместе с газовым потоком в окружающую среду, то имеют место потери тепла и потери вещества, что делает необходимым впоследствии снова подготавливать вещество для зарядки теплоаккумулирующей среды. Недостатком также является то, что при протекании через термохимическую теплоаккумулирующую среду рабочая текучая среда может вносить в нее посторонние тела и частицы, что может привести к порче теплоаккумулирующей среды и/или к снижению производительности теплового аккумулятора.

Задачей настоящего изобретения является создание способа, теплового аккумулятора и системы аккумулирования тепла, не имеющих указанных недостатков. Кроме того, задачей изобретения является создание способа, теплового аккумулятора и системы аккумулирования тепла описанного типа, которые могут использоваться в новых областях применения простым образом и с высокой эффективностью аккумулирования тепла.

Указанные задачи в отношении способа решены посредством того, что рабочую текучую среду пропускают по меньшей мере через один термохимический тепловой аккумулятор, содержащий теплоаккумулирующую среду, без контакта с теплоаккумулирующей средой, причем при зарядке теплоаккумулирующей среды тепловой поток от рабочей текучей среды передается в теплоаккумулирующую среду с выделением из нее по меньшей мере одного вещества, которое выводят из теплового аккумулятора, а при разрядке теплоаккумулирующей среды это вещество подают при выделении тепла в теплоаккумулирующую среду или по меньшей мере в один продукт реакции теплоаккумулирующей среды, образованный при ее зарядке, причем тепловой поток передается в рабочую текучую среду.

Тепловой аккумулятор согласно изобретению содержит проточную область для рабочей текучей среды и аккумулирующую область с по меньшей мере одной теплоаккумулирующей средой, при этом проточная область не сообщается с аккумулирующей областью, так что рабочая текучая среда протекает без контакта с теплоаккумулирующей средой, и проточная область и аккумулирующая область связаны друг с другом таким образом, что при зарядке и разрядке теплоаккумулирующей среды возможна теплопередача между рабочей текучей средой и теплоаккумулирующей средой.

Основная идея изобретения состоит в том, чтобы обеспечить косвенную теплопередачу между рабочей текучей средой и термохимической теплоаккумулирующей средой при зарядке или разрядке последней, причем подача тепла при зарядке приводит к охлаждению рабочей текучей среды, а выделяющееся при разрядке теплоаккумулирующей среды сорбционное тепло или реакционное тепло нагревает рабочую текучую среду. Благодаря отделению рабочей текучей среды от теплоаккумулирующей среды при зарядке теплоаккумулирующей среды не происходит поглощения рабочей текучей средой вещества, выделяющегося из теплоаккумулирующей среды, что является преимуществом для рабочих текучих сред, состав которых должен удовлетворять определенным требованиям. Например, если при зарядке теплоаккумулирующей среды в качестве (испаряющегося) вещества выделяется вода, то в способе согласно изобретению концентрация водяных паров в рабочей текучей среде не увеличивается. Это выгодно в особенности тогда, когда высокое содержание водяных паров в рабочей текучей среде может привести к отрицательным явлениям, например, из-за образования конденсационной воды при дальнейшем использовании рабочей текучей среды. Благодаря отделению рабочей текучей среды от теплоаккумулирующей среды гарантируется, что вместе с рабочей текучей средой в теплоаккумулирующую среду не будут внесены вещества и/или частицы, ухудшающие аккумулирование тепла. Кроме того, благодаря разделению между рабочей текучей средой и теплоаккумулирующей средой можно установить разное давление в проточной области для рабочей текучей среды и в аккумулирующей области для теплоаккумулирующей среды, что позволяет выгодно усовершенствовать изобретение. Это будет подробно описано ниже.

Следующий аспект изобретения касается применения способа, теплового аккумулятора и системы аккумулирования тепла согласно изобретению для нагревания или охлаждения сжатого воздуха для установок аккумулирования сжатого воздуха. Этот аспект имеет отдельное изобретательское значение. В известных установках аккумулирования сжатого воздуха тепло, образующееся при заполнении полостных накопителей вследствие сжатия воздуха, отводят, а затем тепло снова подают при разрядке путем сжигания ископаемых горючих веществ (диабатическое аккумулирование сжатого воздуха). Прежние исходные идеи в отношении аккумулирования тепла, которое образуется при сжатии и требуется снова для расширения (адиабатическое аккумулирование сжатого воздуха), базируются на аккумулировании физического тепла, в частности, с применением в качестве теплоаккумулирующей среды бетона, керамики или аналогичных стойких к высоким температурам материалов, как описано в ЕР 1857614 А2. Из-за характеристики аккумулирования физического тепла требуются высокие температуры и/или большие объемы аккумулятора, которые в сочетании с высоким давлением при аккумулировании сжатого воздуха величиной до 80 бар могут вызвать проблемы с компрессорной техникой и/или с аккумулированием тепла.

Благодаря предложенному в изобретении применению термохимических тепловых аккумуляторов может быть снижено количество необходимых теплоаккумулирующих материалов, что позволяет снизить конструктивные требования к прочности при сжатии, а также уменьшить затраты, связанные с аккумулированием тепла.

Решение согласно изобретению обеспечивает преимущество в особенности в связи с применением теплоаккумулирующих сред, которые при зарядке в качестве испаряющегося вещества высвобождают воду, для нагревания и охлаждения сжатого воздуха в установках аккумулирования сжатого воздуха. Благодаря разделению рабочей текучей среды и теплоаккумулирующей среды концентрация водяного пара в рабочей текучей среде при зарядке теплоаккумулирующей среды остается постоянной, а выделяющаяся при зарядке вода выводится из аккумулирующей области теплового аккумулятора, например, с помощью другого газового потока или иным образом. В принципе выделяющийся водяной пар может тоже, например, отсасываться из аккумулирующей области. Если вместо этого применяется термохимическая система аккумулирования тепла, в которой рабочая текучая среда поглощает испаряющееся вещество (воду), то происходит (усиленная) конденсация газообразной воды на стенках накопителя и в накопителе (полости), при этом из циркуляционного контура аккумулирования энергии отводится конденсационное тепло, что снижает коэффициент полезного действия аккумулирования тепла. Кроме того, осаждающаяся на стенках вода вызывает неконтролируемый процесс растворения, который эквивалентен коррозии. Остаточное количество воды в отстойнике постоянно увеличивается и делает необходимым регулярное откачивание.

В одном предпочтительном варианте выполнения способа согласно изобретению предусмотрено, что вещество, выделяющееся при зарядке теплоаккумулирующей среды и выводимое из теплового аккумулятора, накапливают, а для разрядки теплоаккумулирующей среды это вещество забирают из накопителя и возвращают в тепловой аккумулятор. Таким образом, подготовка и подвод снаружи вещества для разрядки теплоаккумулирующей среды не являются необходимыми, однако могут быть предусмотрены для компенсации потерь вещества, которые могут возникать в системе аккумулирования тепла.

Чтобы выводить из теплового аккумулятора вещество, выделяющееся при зарядке теплоаккумулирующей среды, и/или (снова) подавать его в тепловой аккумулятор для разрядки теплоаккумулирующей среды, можно использовать вспомогательную текучую среду, в частности газовый поток, предпочтительно воздушный поток. Вспомогательную текучую среду пропускают через тепловой аккумулятор с введением в контакт с теплоаккумулирующей средой и/или с продуктом реакции теплоаккумулирующей среды, который образуется при ее зарядке. Благодаря этому упрощаются отвод и подвод вещества из аккумулирующей области теплового аккумулятора или в нее. В связи с этим выгодно пропускать вспомогательную текучую среду через циркуляционный контур, который не сообщается с проточным путем рабочей текучей среды и предпочтительно замкнут.Благодаря разделению вспомогательной текучей среды и рабочей текучей среды можно надежно исключить переход выделяющегося вещества в рабочую текучую среду. Благодаря замкнутому циркуляционному контуру возможна рециркуляция вещества, причем вещество, транспортируемое вспомогательной текучей средой при зарядке теплоаккумулирующей среды, сперва можно отделить от вспомогательной текучей среды и затем накапливать для использования при разрядке теплоаккумулирующей среды. Затем при разрядке теплоаккумулирующей среды вещество забирают из накопителя и подают во вспомогательную текучую среду, которая служит для транспортировки вещества в теплоаккумулирующую среду или в продукт реакции теплоаккумулирующей среды, образованный при ее зарядке.

Понятно, что вспомогательная текучая среда предпочтительно не реагирует с выделяющимся веществом, что упрощает отделение вещества.

Вещество, выделенное при зарядке теплоаккумулирующей среды, можно отделить от вспомогательной текучей среды с помощью фазового превращения, а энергию, выделяющуюся при фазовом превращении, можно предпочтительно по меньшей мере частично аккумулировать и использовать для нового фазового превращения вещества с целью его использования при разрядке теплоаккумулирующей среды. Если при зарядке теплоаккумулирующей среды в качестве (испаряющегося) вещества выделяется вода или водяной пар, их можно очень просто отделить от вспомогательной текучей среды путем конденсации. Конденсационное тепло можно аккумулировать в дополнительном тепловом аккумуляторе, которым может быть аккумулятор скрытого тепла, дополнительный термохимический аккумулятор или аккумулятор физического тепла. Затем для разрядки теплоаккумулирующей среды конденсированную воду испаряют и снова подают во вспомогательную текучую среду, при этом для испарения используют аккумулированное конденсационное тепло. Благодаря транспортировке парообразной воды между тепловым аккумулятором и конденсатором или фазовым преобразователем системы аккумулирования тепла в замкнутом циркуляционном контуре можно исключить потери тепла, вызванные выходом водяного пара в окружающую среду.

Выделяющееся вещество вместе с вспомогательной текучей средой предпочтительно пропускают по замкнутому циркуляционному контуру. Однако изобретение допускает подачу в (замкнутый) циркуляционный контур вспомогательной текучей среды требуемого количества вещества с целью компенсации его потерь.

Протекание вспомогательной текучей среды в циркуляционном контуре дает преимущество, если способ и тепловой аккумулятор согласно изобретению применяют для нагревания или охлаждения сжатого воздуха в установках аккумулирования сжатого воздуха. А именно, если, в отличие от решения согласно изобретению, водяной пар, выделяющийся при зарядке теплоаккумулирующей среды, поглощается рабочей текучей средой, то влажности накопленного воздуха в полостном накопителе после конденсации воды при разрядке, как правило, недостаточно для (полного) высвобождения аккумулированной тепловой энергии. Поэтому в накопленный воздух перед подачей в тепловой аккумулятор для разрядки теплоаккумулирующей среды добавляют водяной пар. Для выработки водяного пара требуется расход энергии, что ухудшает коэффициент полезного действия аккумулирования тепла. Кроме того, при впрыске воды в тепловой аккумулятор при помощи форсунок может произойти повреждение теплоаккумулирующей среды. Эти недостатки отсутствуют при предусмотренном согласно изобретению протекании вспомогательной текучей среды в циркуляционном контуре. В циркуляционном контуре вспомогательной текучей среды циркулирует достаточное количество испаряющегося вещества или достаточное количество испаряющегося вещества отбирается из накопителя циркуляционного контура для разрядки теплоаккумулирующей среды и снова подается во вспомогательную текучую среду перед поступлением в тепловой аккумулятор.

Под термином «термохимическая теплоаккумулирующая среда» следует понимать такие теплоаккумулирующие материалы, в которых при подаче тепла вследствие процесса десорбции и/или в результате по меньшей мере одной химической реакции, в частности реакции разложения, происходит выделение воды и/или по меньшей мере одного вещества. В соответствии с изобретением эндотермическое вытеснение вещества в результате десорбции и/или химической реакции следует понимать как «зарядку теплоаккумулирующей среды». Для разрядки теплоаккумулирующей среды или для высвобождения сорбционного тепла и/или реакционного тепла требуется испарившееся или отделенное вещество снова подвести к сорбенту или продукту, образованному при химической реакции. Сорбенты могут быть выбраны из группы цеолитов и/или силикагелей. Кроме того, могут применяться такие теплоаккумулирующие среды, в которых в результате реакций разложения, например разложения гидроокисей металлов, в частности гидроокиси кальция и/или гидроокиси магния, а также при разложении гидридов металла, в частности гидрида магния, происходит выделение тепла при зарядке. Возможны другие известные специалисту химические реакции, в которых при подаче тепловой энергии выделяется вещество (зарядка), а при последующей разрядке вырабатывается сорбционное и/или реакционное тепло при подаче вещества.

Согласно изобретению должны применяться такие теплоаккумулирующие среды, при зарядке которых выделяется вода вследствие десорбции или в качестве продукта реакции, в частности реакции разложения. Было обнаружено, что можно успешно использовать смесь различных теплоаккумулирующих сред. В связи с этим можно применять смешанный аккумулятор, в котором цеолит используется в качестве несущего материала для окиси магния. Кроме указанных выше материалов могут использоваться другие теплоаккумулирующие среды, в которых при разрядке происходит выделение сорбционного тепла, вместе с такими теплоаккумулирующими средами, которые при разрядке высвобождают реакционное тепло.

Чтобы поддерживать вытеснение испаряющегося вещества при зарядке теплоаккумулирующей среды, в следующем предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрено снижение давления в тепловом аккумуляторе или в аккумулирующей области для теплоаккумулирующей среды при зарядке. Благодаря этому можно поддерживать процессы десорбции при зарядке теплоаккумулирующей среды. То же относится к случаю, когда при зарядке теплоаккумулирующей среды происходит реакция разложения. В связи с этим предусмотрено, что давление в области теплоаккумулирующей среды при зарядке теплоаккумулирующей среды снижают по сравнению с давлением окружающей среды. Кроме того, может быть предусмотрено, что давление при разрядке теплоаккумулирующей среды повышают для поддержания протекающих процессов или реакций.

Предпочтительно используют такие теплоаккумулирующие среды, которые в результате десорбции или реакции разложения при зарядке выделяют воду в качестве испаряющегося вещества, что облегчает отделение этого вещества от вспомогательной текучей среды. В этом случае испаряющееся вещество может отделить от вспомогательной текучей среды путем конденсации и снова подать во вспомогательную текучую среду путем испарения. Чтобы способствовать выделению конденсата, конденсацию можно осуществлять при давлении вспомогательной текучей среды, превышающем давление в тепловом аккумуляторе (или в аккумулирующей области для теплоаккумулирующей среды), а испарение можно осуществлять при давлении вспомогательной текучей среды, меньшем, чем давление в тепловом аккумуляторе.

В особенно простом варианте выполнения способа согласно изобретению направление протекания вспомогательной текучей среды изменяется на противоположное при смене зарядки теплоаккумулирующей среды на ее разрядку и наоборот. Благодаря этому при малых затратах на оборудование могут быть установлены различные уровни давления, с одной стороны, в аккумулирующей области теплового аккумулятора для теплоаккумулирующей среды, а с другой стороны, во включенных после теплового аккумулятора конденсаторе или испарителе, играющих роль фазовых преобразователей.

Для большего охлаждения рабочей текучей среды при зарядке теплоаккумулирующей среды может быть предусмотрено предварительное или последующее охлаждение рабочей текучей среды перед протеканием через термохимический тепловой аккумулятор или после него. Соответственно при разрядке теплоаккумулирующей среды может быть предусмотрено предварительное или последующее нагревание рабочей текучей среды, чтобы дополнительно повысить ее температуру. С этой целью перед термохимическим тепловым аккумулятором или после него может быть установлен по меньшей мере один дополнительный тепловой аккумулятор или теплообменник, предпочтительно аккумулятор скрытого тепла или аккумулятор физического тепла. Понятно, что тепловые аккумуляторы или теплообменники, включенные до термохимического теплового аккумулятора или после него, работают при других температурах, чем термохимический тепловой аккумулятор.

Указанные выше аспекты и признаки изобретения, а также аспекты и признаки изобретения, описанные ниже со ссылками на чертежи, могут быть реализованы независимо друг от друга, в произвольных комбинациях, но в сочетании с признаками ограничительной части по меньшей мере одного независимого пункта формулы изобретения, даже если это подробно не описано. Каждый описанный признак или аспект может иметь изобретательское значение. Также возможна произвольная комбинация признаков зависимых пунктов формулы изобретения с признаками ограничительной части по меньшей мере одного независимого пункта формулы изобретения, даже если явно об этом не сказано. Другие преимущества, признаки, особенности и аспекты настоящего изобретения вытекают из последующего описания предпочтительного варианта его осуществления и чертежей, на которых:

фиг.1 схематично изображает систему аккумулирования тепла согласно изобретению, содержащую термохимический тепловой аккумулятор, при зарядке термохимической аккумулирующей среды и

фиг.2 - систему аккумулирования тепла согласно фиг.1 при разрядке теплоаккумулирующей среды.

На фиг.1 и 2 показана система 1 аккумулирования тепла для нагревания или охлаждения рабочей текучей среды 2 с использованием по меньшей мере одной термохимической теплоаккумулирующей среды 3. Рабочей текучей средой 2 является воздух, который сжимается компрессором 4 и хранится в сжатом состоянии в полости 5. Сжатый воздух используется для накапливания энергии в установке аккумулирования сжатого воздуха (в отдельности не показана). Понятно, что последующие варианты конструкции и принцип работы системы 1 аккумулирования тепла не ограничены использованием для охлаждения или нагревания сжатого воздуха с целью накопления энергии в установках аккумулирования сжатого воздуха.

В показанном варианте система 1 аккумулирования тепла предназначена для охлаждения текучей среды 2, нагретой в результате сжатия, перед накоплением в полости 5, причем отводимая при этом тепловая энергия Q должна аккумулироваться в тепловом аккумуляторе 6. Тепловой аккумулятор 6 содержит группу проточных труб 7 для рабочей текучей среды 2, которые образуют проточную область 7а для рабочей текучей среды 2. Проточные трубы 7 заделаны в термохимическую теплоаккумулирующую среду 3, являющуюся непосредственно аккумулирующим материалом и расположенную в аккумулирующей области 6а теплового аккумулятора 6. Теплоаккумулирующая среда 3 может представлять собой смесь из цеолита и окиси магния. В принципе могут использоваться и другие термохимические теплоаккумулирующие среды.

Проточная область 7а теплового аккумулятора 6 не сообщается с аккумулирующей областью 6а, так что смешивание рабочей текучей среды 2 с теплоаккумулирующей средой 3 невозможно. Кроме того, проточная область 7а и аккумулирующая область 6а соединены друг с другом таким образом, что возможна теплопередача между рабочей текучей средой 2 и теплоаккумулирующей средой 3 при зарядке и разрядке последней. Теплоаккумулирующая среда 3 находится в аккумулирующей области 6а теплового аккумулятора 6, имеющей подводящий и отводящий трубопроводы (не показаны) для вспомогательной текучей среды 8, которая может протекать через аккумулирующую область 6а. Вспомогательная текучая среда 8 протекает через теплоаккумулирующую среду 3 или по теплоаккумулирующей среде 3 вдоль нее, так что рабочая текучая среда 2 при протекании через тепловой аккумулятор 6 не имеет контакта с теплоаккумулирующей средой 3, а вспомогательная текучая среда 8 при протекании через тепловой аккумулятор 6 входит в контакт с теплоаккумулирующей средой 3. Таким образом, система 1 аккумулирования тепла обеспечивает косвенную теплопередачу между вспомогательной текучей средой 8 и рабочей текучей средой 2.

Вспомогательную текучую среду 8 пропускают по замкнутому циркуляционному контуру 9, причем сначала она протекает по проточным каналам через теплоаккумулирующую среду 3 теплового аккумулятора 6, а затем при помощи компрессора 10 подается в фазовый преобразователь 11 через соответствующий трубопровод. В трубопроводе между фазовым преобразователем 11 и тепловым аккумулятором 6 установлен редукционный клапан 12. Система 1 аккумулирования тепла содержит также водяной резервуар 13 или накопительную емкость для конденсационной воды. Имеется дополнительный тепловой аккумулятор 14, который может быть выполнен в виде аккумулятора скрытого тепла, термохимического теплового аккумулятора или аккумулятора физического тепла. Циркуляционный контур 9, содержащий тепловой аккумулятор 6, компрессор 10, фазовый преобразователь 11, водяной резервуар 13 и редукционный клапан 12, образует замкнутую систему для вспомогательной текучей среды 8. Массообмен между вспомогательной текучей средой 8 и рабочей текучей средой 2 отсутствует. Предпочтительно отсутствует также массообмен между вспомогательной текучей средой 8 и окружающей средой. Однако в принципе может быть предусмотрена подача воды в циркуляционный контур 9 из окружающей среды или из внешнего накопителя, чтобы компенсировать потери воды.

Далее поясняется принцип работы показанной системы 1 аккумулирования тепла. Рабочая текучая среда 2 и вспомогательная текучая среда 8 одновременно протекают через тепловой аккумулятор 6. Благодаря разности температур между рабочей текучей средой 2, нагретой в результате сжатия, и вспомогательной текучей средой 8 тепловой поток Q передается от рабочей текучей среды 2 через проточные трубы 7 в теплоаккумулирующую среду 3. Это приводит к зарядке теплоаккумулирующей среды 3, что показано на фиг.1. При зарядке теплоаккумулирующей среды 3 тепло рабочей текучей среды 2 используется для эндотермического вытеснения по меньшей мере одного испаряющегося вещества 15 из теплоаккумулирующей среды 3, при этом испаряющееся вещество 15 поглощается вспомогательной текучей средой 8, протекающей через теплоаккумулирующую среду 3, и вместе со вспомогательной текучей средой 8 транспортируется из теплового аккумулятора 6. Это схематично показано на фиг.1. В данном варианте выполнения системы испаряющимся веществом 15 является вода.

При зарядке давление в аккумулирующей области 6а над теплоаккумулирующей средой 3 снижают, при этом вспомогательную текучую среду 8 вместе с испаряющимся веществом 15 отсасывают из теплового аккумулятора 6 компрессором 10. Благодаря изменению парциального давления водяного пара в тепловом аккумуляторе 6 на стороне теплоаккумулирующей среды 3 происходит быстрое испарение вещества 15. Вспомогательную текучую среду 8 вместе с парообразным веществом 15 подают при помощи компрессора 10 в фазовый преобразователь 11, который работает в режиме конденсатора. Одновременно благодаря работе компрессора 10 на всасывание повышается давление вспомогательной текучей среды 8 в фазовом преобразователе 11. Кроме того, происходит повышение температуры вспомогательной текучей среды 8, транспортирующей вещество 15. Затем в конденсаторе 11 вещество 15 отделяют от вспомогательной текучей среды 8 путем конденсации, которая осуществляется при давлении вспомогательной текучей среды 8, превышающем давление в тепловом аккумуляторе 6 на стороне теплоаккумулирующей среды 3. Полученную при конденсации воду подают в водяной резервуар 13. Выделенное при охлаждении вспомогательной текучей среды 8 в фазовом преобразователе 11 количество Q тепла аккумулируют в тепловом аккумуляторе 14.

В результате вспомогательная текучая среда 8, выходящая из теплового аккумулятора 6, имеет высокую температуру и насыщена водяными парами. При последующем сжатии происходит дополнительное введение энергии во вспомогательную текучую среду, что приводит к дополнительному повышению температуры. Вспомогательная текучая среда 8 выходит из фазового преобразователя охлажденной и с малым содержанием водяных паров.

Посредством редукционного клапана 12 происходит уменьшение давления вспомогательной текучей среды 8 и, таким образом, дополнительное снижение температуры перед возвратом в тепловой аккумулятор 6. Затем при помощи подводящего трубопровода в теплоаккумулирующую среду 3 может подаваться вспомогательная текучая среда 8 для нового поглощения испаряющегося вещества 15.

Чтобы дополнительно снизить температуру охлаждаемой рабочей текучей среды 2, при необходимости перед тепловым аккумулятором 6 или после него может быть установлен по меньшей мере один дополнительный тепловой аккумулятор 16. Этот аккумулятор 16 работает при другой температуре, чем тепловой аккумулятор 6, который является основным тепловым аккумулятором. Дополнительный тепловой аккумулятор 16 предпочтительно может быть выполнен в виде аккумулятора скрытого тепла или в виде аккумулятора физического тепла. В принципе дополнительный тепловой аккумулятор 16 может быть выполнен в виде термохимического теплового аккумулятора, в котором используется другая теплоаккумулирующая среда, чем в тепловом аккумуляторе 6.

Для предварительного охлаждения рабочей текучей среды 2 можно использовать сухой охлажденный вспомогательный газ 8, что на фиг.1 схематично показано штриховой линией 17.

На фиг.2 схематично показана разрядка теплоаккумулирующей среды 3. Подлежащую снижению давления и нагреванию рабочую текучую среду 2 из полости 5 подают через проточные трубы 7 теплового аккумулятора 6. Компрессор 10 работает в режиме нагнетания и происходит изменение парциального давления в фазовом преобразователе 11 и в тепловом аккумуляторе 6. Накопленная в тепловом аккумуляторе 14 энергия Q конденсации в сочетании с уменьшением давления в фазовом преобразователе 11 обеспечивает испарение забираемой из водяного резервуара 13 воды в качестве испаряющегося вещества 15. Образованный водяной пар вместе со вспомогательной текучей средой 8 сжимают компрессором 10 и подводят под давлением к теплоаккумулирующей среде 3. Испаряющееся вещество 15 экзотермически соединяется с теплоаккумулирующей средой 3 при передаче тепла в рабочую текучую среду 2. Таким образом, при разрядке теплоаккумулирующей среды 3 вследствие сорбционных процессов и образования гидроокиси магния происходит выделение сорбционного тепла и реакционного тепла, которые передаются в рабочую текучую среду 2. Передача теплового потока Q приводит к повышению температуры рабочей текучей среды 2 при протекании через тепловой аккумулятор 6.

После отделения испаряющегося вещества 15 от вспомогательного газа 8 последний поступает в сухом и горячем или теплом виде в редукционный клапан 12, давление газа 8 снижается и он охлаждается. В фазовом преобразователе 11, который работает теперь в режиме испарителя, снова поглощается водяной пар до тех пор, пока не произойдет полностью разрядка теплоаккумулирующей среды 3 или не прекратятся адсорбция воды в теплоаккумулирующей среде 3 и/или реакция с образованием гидроокиси магния.

Для большего повышения температуры рабочей текучей среды 2 перед тепловым аккумулятором 6, являющимся основным тепловым аккумулятором системы аккумулирования тепла, или после него при необходимости может быть включен дополнительный тепловой аккумулятор 16, который может представлять собой термохимический тепловой аккумулятор, аккумулятор скрытого тепла или аккумулятор физического тепла. Дополнительный тепловой аккумулятор 16 работает при другой температуре, чем тепловой аккумулятор 6. Как показано на фиг.2, при необходимости может быть предусмотрено предварительное нагревание рабочей текучей среды 2 сухим и теплым вспомогательным газом 8 перед вводом в тепловой аккумулятор 6, что схематично показано штриховой линией 18 на фиг.2.

Система 1 аккумулирования тепла позволяет почти без потерь аккумулировать тепловую энергию Q, выделяющуюся при разрядке теплоаккумулирующей среды 3, и использовать ее в дальнейшем. Аккумулирующую способность системы 1 в отношении тепловой энергии Q при необходимости можно адаптировать для применения в области дистанционного использования тепла и/или для установок аккумулирования сжатого воздуха. Путем выбора теплоаккумулирующей среды 3 можно установить емкость аккумулирования и применяемые диапазоны температуры. Благодаря использованию вспомогательной текучей среды 8 для транспортировки испаряющегося вещества 15 исключается увеличение концентрации этого вещества 15 в рабочей текучей среде 2. Благодаря тому, что рабочая текучая среда 2 отделена от теплоаккумулирующей среды 3, также не может произойти повреждение теплоаккумулирующей среды 3 или ухудшение ее аккумулирующей способности из-за наличия примесей в рабочей текучей среде 2. Поскольку вспомогательная текучая среда 8 протекает в замкнутом циркуляционном контуре, могут быть почти полностью исключены потери тепла Q при конденсации испаряющегося вещества 15 из вспомогательной текучей среды 8, при этом конденсационное тепло Q может подвергаться промежуточному аккумулированию в тепловом аккумуляторе 14 и снова использоваться для последующего испарения испаряющегося вещества 15. Это обеспечивает большой общий коэффициент полезного действия аккумулирования тепла при помощи описанной системы 1.

1. Способ нагревания и охлаждения рабочей текучей среды (2) с использованием по меньшей мере одной термохимической теплоаккумулирующей среды (3), в котором
рабочую текучую среду (2) пропускают по меньшей мере через один термохимический тепловой аккумулятор (6), содержащий теплоаккумулирующую среду (3), без контакта с последней,
причем при зарядке теплоаккумулирующей среды (3) в нее передается тепловой поток (Q) от рабочей текучей среды (2) и из теплоаккумулирующей среды (3) выделяется по меньшей мере одно вещество (15), которое выводят из теплового аккумулятора (6),
а при разрядке теплоаккумулирующей среды (3) указанное вещество (15) подают при выделении тепла в теплоаккумулирующую среду (3) или по меньшей мере в один продукт реакции теплоаккумулирующей среды (3), образованный при ее зарядке, и тепловой поток (Q) передается в рабочую текучую среду (2),
отличающийся тем, что зарядку теплоаккумулирующей среды (3) выполняют при пониженном уровне давления, а ее разрядку выполняют при повышенном уровне давления.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вещество (15), выводимое из теплового аккумулятора (6) при зарядке теплоаккумулирующей среды (3), накапливают и возвращают в тепловой аккумулятор (6) для разрядки теплоаккумулирующей среды (3).

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что для транспортировки вещества (15) из теплового аккумулятора (6) и/или в него используют вспомогательную текучую среду (8), которая протекает через тепловой аккумулятор (6) в контакте с теплоаккумулирующей средой (3) и/или с продуктом ее реакции.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что вспомогательную текучую среду (8) пропускают по циркуляционному контуру (9), не сообщающемуся с проточным путем рабочей текучей среды (2) и предпочтительно замкнутому, причем вещество (15), транспортируемое вспомогательной текучей средой (8) при зарядке теплоаккумулирующей среды (3), отделяют от вспомогательной текучей среды (8) и накапливают с целью использования при разрядке теплоаккумулирующей среды (3).

5. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что вещество (15), выделяющееся при зарядке теплоаккумулирующей среды (3), отделяют от вспомогательной текучей среды (8) посредством фазового превращения, а выделяющуюся при фазовом превращении тепловую энергию (Q) предпочтительно по меньшей мере частично аккумулируют и используют для нового фазового превращения вещества (15) с целью использования этого вещества (15) при разрядке теплоаккумулирующей среды (3).

6. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что при смене зарядки теплоаккумулирующей среды (3) на ее разрядку, и наоборот, направление протекания вспомогательной текучей среды (8) изменяют на противоположное.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу работы системы (1) для аккумулирования тепловой энергии. Система (1) содержит аккумулятор (2) энергии, обладающий вертикальным температурным градиентом, а способ включает выведение из аккумулятора (2) текучей среды, имеющей первую температуру (T1) и предназначенной для использования в первой теплопоглощающей системе (3).

Изобретение относится к аккумулятору тепловой энергии, содержащему по меньшей мере два туннеля (1а, 1b) для помещения в них текучей среды. Туннели (1а, 1b) соединены друг с другом с обеспечением сообщения между туннелями (1а, 1b) по текучей среде.

Изобретение относится к теплотехнике и может использоваться в накопительных резервуарах для хранения горячей или холодной среды. Накопительный резервуар (1) для теплообменной среды, содержащий резервуар c верхней секцией (2) и нижней секцией (3) и соединенный по меньшей мере с одной тепловыделяющей системой и по меньшей мере с одной теплопоглощающей системой, содержит множество разделительных перегородок (4, 5, 6, 7), расположенных внутри резервуара, между его нижней секцией (3) и верхней секцией (2), с целью разделения резервуара на множество зон (8, 9, 10, 11, 12), причем каждая из указанных систем соединена по меньшей мере с одной соответствующей зоной (8, 9, 10, 11, 12) для образования температурного градиента между нижней секцией (3) и верхней секцией (2), при этом разделительные перегородки (4, 5, 6, 7) приварены к указанному накопительному резервуару (1) так, что прочность резервуара повышается и предотвращается перемещение среды между его зонами (8, 9, 10, 11, 12).

Изобретение относится к способу накопления и хранения высокопотенциальной тепловой энергии. Указанный способ включает переменную по времени загрузку самотеком нагретого циркулирующего сыпучего твердого теплоносителя в тепловой аккумулятор в виде теплоизолированной емкости.

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к устройствам для аккумуляции холода, и может использоваться для аккумулирования холодной энергии в системах кондиционирования.

Изобретение относится к способу изготовления теплового элемента со скрытой теплотой с аккумулирующим скрытую теплоту материалом на основе парафина, поглощенным подложкой, обладающей приемными полостями.
Наверх