ТЕПЛОНАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 1994 года по МПК F24F7/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для улучшения технико-экономических показателей оборудования, энергетических установок и теплотехнических систем.

В энергетике и транспортных энергетических установках используются тепловые накопители энергии (НЭ), представляющие собой устройства, в которых путем повышения температуры или изменения фазового состояния рабочего тела при подводе тепла запасается энергия.

Недостатком таких НЭ являются небольшое время хранения, связанное с потерями тепла путем теплопередачи посредством теплопроводности, лучеиспускания, конвекции теплоты, а также малое быстродействие и возможность выделения токсичных веществ.

В качестве рабочей среды, обеспечивающей накопление тепловой энергии, может быть использована вода в виде жидкости или пара, а также другие жидкости, например масло. Кроме того, в качестве рабочего тела, поглощающего избыточное тепло, используются вещества в твердом состоянии (например, корунд) или металлы (например, бериллий). Используются в качестве рабочего тела также системы с фазовыми переходами, например легкоплавкие вещества типа парафина, они обладают высокой энергоемкостью, однако пожароопасны.

Наиболее близким по своим техническим характеристикам, т. е. прототипом изобретения, является НЭ, рабочим телом которого является вода в стальном баллоне. При температуре 200^оС удельная энергоемкость такого НЭ составляет 60 кВт ч/м³ (52 ˙ 10³ ккал/м³), соответственно снижаясь при снижении температуры и увеличиваясь при ее повышении.

Недостатками такого НЭ является низкая удельная энергоемкость при невысоких температурах нагрева. В случае использования такого накопителя в варианте нагрева рабочего тела (воды) за счет пропускания нагретой рабочей среды через соответствующий канал (например, змеевик, размещенный в баллоне) НЭ работает медленно, особенно при циклической работе. Это связано с тем, что конвективный нагрев и охлаждение протекают медленно. В случае накопления тепловой энергии в результате заполнения баллона нагретой водой использование НЭ в транспортных средствах практически невозможно, так как при режиме накопления необходимо восполнять практически полностью рабочую среду, используемую для охлаждения силовой установки. Кроме того, виброустойчивость рассмотренного НЭ невелика.

Целью изобретения является повышение удельных характеристик теплопоглощения и быстродействия при улучшении виброшумовых характеристик и эксплуатационных показателей теплонакопителя энергетической системы.

Указанная цель достигается за счет того, что в теплонакопителе энергетической системы, состоящем из корпуса, теплопоглощающих элементов, патрубка нагретой рабочей среды, патрубков подвода и отвода охлаждающей рабочей среды с заслонками, промежуточной камеры сбора конденсата, использованы многоцикловые твердотельные теплопоглощающие элементы, последовательно установленные в корпусе и выполненные в виде содержащих отверстия шайб. В качестве материала шайб использованы сплавы с термоупругими мартенситными превращениями.

После каждой шайбы выполнены зональные отводные отверстия для слива конденсата в промежуточную камеру сбора конденсата. Использование в качестве материала шайб сплавов с термоупругими фазовыми переходами (с прямым и обратным мартенситным превращением) позволяет обеспечить при высоком быстродействии и больших удельных значениях параметров теплопоглощения улучшенные виброакустические характеристики теплонакопителя (теплопоглотителя).

Предложенное техническое решение по сравнению с прототипом имеет следующие отличительные признаки:
наличие многоцикловых быстродействующих твердотельных теплопоглощающих элементов, выполненных в виде последовательно установленных и содержащих отверстия шайб из материала с термоупругими фазовыми переходами;
наличие корпуса теплонакопителя с зональными отводными каналами;
наличие патрубков нагретой рабочей среды;
наличие патрубков подвода и отвода охлаждающей рабочей среды;
наличие двухпозиционных заслонок в патрубках подвода и отвода охлаждающей среды и патрубке подвода нагретой рабочей среды;
наличие промежуточной камеры сбора конденсата.

Эти признаки в совокупности и только при их совместном введении в предложенное техническое решение позволяют достичь поставленную цель - повысить удельные характеристики теплопоглощения и быстродействие при улучшении виброшумовых характеристик (ВШХ) и эксплуатационных показателей теплонакопителя.

На чертеже приведена схема предложенного теплонакопителя энергетической системы.

Теплонакопитель состоит из корпуса 1, теплопоглощающих элементов 2, выполненных в виде шайб с отверстиями, опор 3 крепления шайб к корпусу, патрубка 4 подвода нагретой рабочей среды с заслонкой 5, патрубка 6 подвода охлаждающей среды с заслонкой 7, патрубка 8 отвода охлаждающей среды с заслонкой 9, зональных отводных каналов 10, промежуточной камеры 11 сбора конденсата.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

В холодный теплонакопитель при закрытых заслонках 7 и 9 через патрубок 4 подается нагретая рабочая среда (например, пар), которая нагревает теплопоглощающие элементы 2, при этом температура нагретой рабочей среды снижается до заданных параметpов и она по каналам 10 поступает в промежуточную камеру 11 сбора конденсата, откуда может быть использована в таком виде в дальнейшем. Время работы при таком режиме зависит от количества и размеров используемых теплопоглощающих элементов 2.

После прогрева теплонакопителя до температуры входящей в него рабочей среды теплопоглощение осуществляется за счет термоупругих фазовых переходов с частотой f_туп ≥ 10 Гц. После поглощения расчетного количества тепла заслонка 5 закрывается. Затем открывается заслонка 7, теплонакопитель наполняется охлаждающей средой (например, забортной водой), после чего открывается заслонка 9, что обеспечивает циркуляцию охлаждающей среды в теплонакопителе. После окончания процессов обратных фазовых переходов в элементе 2 и охлаждения его до расчетной температуры (например, до температуры конца прямого мартенситного превращения) заслонка 7 закрывается, затем теплонакопитель освобождается от охлаждающей среды, заслонка 9 закрывается. Устройство готово к новому циклу работы "нагрев - охлаждение".

Использованный для теплопоглощающих элементов материал нетоксичен, устойчив к агрессивным средам, работает при высоких температурах (> 600^оС). Устройство имеет простую конструкцию, пожаро- и взрывобезопасно, экологически чисто, так как не требует использования вредных материалов. Высокое быстродействие теплонакопителя достигается за счет высокой скорости термоупругих фазовых превращений.

Проведенные применительно к судовым теплотехническим системам проектные проработки предлагаемого устройства, а также расчетные оценки положительного эффекта показали, что удельные характеристики теплопоглощения могут быть повышены по сравнению с прототипом в несколько раз при улучшении ВШХ в пределах 5-20 дБ и обеспечении быстродействия менее 0,1 с (на несколько порядков больше, чем у прототипа). При этом использование материалов типа никелида титана обеспечивает широкий эксплуатационный диапазон температур (от -200 до +600^оС) при небольшом температурном гистерезисе (в пределах 15-40^оС).

Использование: в области машиностроения для улучшения технико-экономических показателей оборудования, экономических установок и теплотехнических систем. Сущность изобретения: теплопоглощающие элементы выполнены в виде последовательно установленных и содержащих отверстия шайб из нетоксичного, пожаробезопасного, твердотельного материала, а в корпусе теплонакопителя имеются зональные отводные каналы для удаления конденсата. На корпусе теплонакопителя закреплена промежуточная камера сбора конденсата охлажденной рабочей среды, при этом в патрубке подвода нагретой рабочей среды, а также в патрубках подвода и отвода охлаждающей рабочей среды размещены двухпозиционные заслонки. Для теплопоглощающих элементов устройства в качестве твердотельного, нетоксичного, пожаробезопасного материала с термоупругими фазовыми переходами может быть применен, например, сплав на основе никелида титана с диапазоном рабочих температур от -200 до +600С при температурном гистерезисе 15 - 40С. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ТЕПЛОНАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ, содержащий корпус, теплопоглощающие элементы, патрубки нагретой рабочей среды и патрубки подвода и отвода охлаждающей среды, отличающийся тем, что, с целью повышения удельных характеристик теплопоглощения и быстродействия процессов теплообмена при улучшении виброшумных характеристик и эксплуатационных показателей устройства, он снабжен двухпозиционными заслонками и камерой для сбора конденсата, закрепленной на корпусе и сообщенной с ним посредством отводных каналов, теплопоглощающие элементы выполнены в виде последовательно установленных, содержащих отверстия шайб из нетоксичного, пожаробезопасного, твердотельного материала, а двухпозиционные заслонки установлены в патрубках подвода и отвода охлаждающей рабочей среды. 2. Теплонакопитель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала для теплопоглощающих элементов использован сплав на основе никелида титана с диапазоном рабочих температур от -200 до +600^oС при температурном гистерезисе 15 - 40^oС.