ТЕПЛОПРИЕМНИК-АККУМУЛЯТОР ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1995 года по МПК F24J2/34 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в энергетических установках с преобразованием излучения в тепловую и электрическую энергию, например: солнечного, лазерного и др.

Энергетические установки, использующие тепловую энергию, например, солнечные, состоят из зеркала-концентратора излучения, теплообменника-аккумулятора (ТПА) и системы преобразования энергии в электрическую, например, турбинная схема преобразования или на основе термоэмиссионного преобразования энергии и т.п.

Известен теплообменник-аккумулятор солнечной энергетической установки (ЭУ), описанной в книге [1].

Он представляет собой открытый с одного конца цилиндрический корпус, снаружи которого расположен теплоаккумулирующий материал (ТАМ).

Основной недостаток - низкая эффективность из-за большой доли тепла, уходящего из теплообменника через входной узел (открытый торец) и неравномерного нагрева ТАМ.

В качестве прототипа ТПА, описанный в книге [2].

Он представляет собой сферический корпус с круглым входным отверстием по оси сферы. Снаружи корпуса размещен ТАМ. Внутренняя поверхность корпуса может быть покрыта веществом с большим коэффициентом поглощения падающего на него теплового и светового излучения.

Основной недостаток - низкая эффективность поглощения падающего излучения из-за относительно больших потерь тепла за счет переизлучения его через входное отверстие и неравномерного нагрева ТАМ, так как большая часть падающего излучения поглощается на части корпуса, расположенной напротив входного отверстия.

Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является повышение эффективности за счет снижения потерь переизлучением и обеспечением равномерного нагрева теплоаккумулирующего вещества.

Этот результат достигается за счет того, что в известном теплоприемнике-аккумуляторе энергетической установки, содержащем сферический корпус с отверстием для входа падающего излучения, несущего тепловую энергию, и размещенный снаружи корпуса теплоаккумулирующий материал, согласно изобретению, отверстие для входа падающего излучения смещено относительно оси сферического корпуса, параллельной падающему излучению, а внутренняя поверхность покрыта отражающим покрытием. Причем смещение отверстия для входа падающего излучения в теплоприемник составляет Н = (0,55-0,63)R, где R - внутренний радиус сферического корпуса, а отражающее покрытие внутренней поверхности корпуса должно иметь коэффициент отражения не менее δ= 0,8. Все это позволяет замкнуть луч внутри сферического ТПА до полного его поглощения. Благодаря этому достигается снижение потерь теплового излучения из ТПА.

На фиг. 1 приведен пример конкретного выполнения предлагаемого устройства; на фиг.2 - элемент оболочки теплоприемника - аккумулятора.

ТПА состоит из сферического корпуса 1, входное отверстие 2 смещено относительно диаметра сферы на Н = (0,55-0,63)R. Внутренняя поверхность 3 корпуса 1 имеет коэффициент отражения падающего излучения δ≥0,8. Это достигается путем шлифовки внутренней поверхности 3 и нанесением на нее (например, гальваническим способом) отражающего покрытия, например, никеля. Снаружи корпуса 1 расположен аккумулятор тепловой энергии 4.

Предложенный ТПА работает следующим образом.

Излучение в виде луча (например, лазерный луч или луч, сконцентрированный с помощью солнечного концентратора) попадает через входное отверстие 2 на внутреннюю поверхность 3 корпуса 1. При этом (1-δ )Е_о энергии падающего излучения луча поглощается корпусом 1 в точке отражения луча. Где Е_о - начальная энергия луча. Тогда энергия переотраженного луча после n отражений будет равна Е_луч = δⁿ Е_о, а поглощенная энергия (1- δ)ⁿ Е_о. Поглощенная энергия затем переизлучается внутри корпуса 1, обеспечивая выравнивания температурного поля. Затем тепло может накапливаться в теплоаккумуляторе 4 и использоваться для преобразования тепловой энергии в электрическую. Как видно из фиг.1, в сферу входит пучок (луч) излучения, который затем падает на внутреннюю стенку корпуса и благодаря отражающему покрытию переотражается до тех пор, пока полностью не поглотится материалом стенки. Отсюда также следует, что чем больше актов отражения испытывает пучок излучения и чем больший путь проходит пучок между двумя актами отражения, тем равномерней поглощается энергия пучка по окружности сферического корпуса. Поглощенная в точке отражения энергия пучка переизлучается во внутреннюю полость сферического корпуса, где также поглощается за счет многократных переотражений от внутренней поверхности корпуса. Таким образом осуществляется выравнивание теплового поля внутри сферического корпуса.

Из приведенной схемы видно, что число отражений луча от стенки сферы, при прохождении им пути равного длине окружности сферы, определяется по формуле:
N =
ϕ=Arcsin(H),
H = h/R
где ϕ - угол между линией, проходящей через центр сферы параллельно лучу, входящему в сферу, и радиусом сферы, проведенному в точку луча в сферу (см. фиг.1).

Таким образом, чем больше угол ϕ , тем на меньшей длине дуги полностью поглощается луч. Однако при ϕ->> 0 луч полностью переотражается между двумя противоположными областями сферы, а при ϕ = 0 луч, отразившись один раз от стенки сферы, выйдет за пределы сферы через входное отверстие. Это же явление будет наблюдаться при ϕ = 30^ои ϕ = 45^о, при этом луч отразится от стенки в первом случае 2 раза; а во втором 3 раза. Все это приводит к неравномерному и неполному поглощению энергии луча внутри сферы.

Следует учитывать также то обстоятельство, что луч при входе в сферу имеет некоторое конечное поперечное сечение, размеры которого определяют площадь входного отверстия, а следовательно, потери теплового излучения через него. Максимальная площадь входного отверстия определится как:
F_вх= =
Тогда относительная площадь входного отверстия определится как:
F_от.вх.= = где F_п - площадь поперечного сечения луча на входе в сферу. Из этого выражения видно, что F_от.вх. растет сравнительно медленно с ростом Н до Н = 0,55-0,63, а при дальнейшем увеличении Н F_от.вх. резко возрастает.

Нижняя граница Н определяется числом отражений луча на длине окружности сферы и условием выхода луча через входное отверстие (для ϕ = 30^о Н = 0,5; f = 45^о Н = 0,71). Отсюда следует, что оптимальное наименьшее значение Н = 0,55 (с учетом геометрических размеров и расходимости пучка). Таким образом, оптимальное Н будет лежать в пределах Н = 0,55-0,63.

Таким образом предложенное устройство позволяет:
- снизить потери тепловой энергии переизлучением через входное отверстие;
- повысить равномерность нагрева теплоаккумулирующего материала и рабочего тела;
- тем самым повысить эффективность теплоприемника-аккумулятора теплового излучения энергетической установки.

Использование: в энергетических установках с преобразованием излучения в тепловую и энергетическую энергию. Сущность изобретения: отверстие для входа падающего излучения смещено относительно оси сферического корпуса, параллельно падающему излучению на величину h = /0,55-0,63/R_сф, где R_сф - внутренний радиус сферического корпуса, а внутренняя поверхность корпуса выполнена с коэффициентом отражения падающего излучения, равным и большим 0,8, при этом снаружи корпуса размещен теплоаккумулирующий материал. 2 ил.

ТЕПЛОПРИЕМНИК-АККУМУЛЯТОР ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ, содержащий сферический корпус с отверстием для входа падающего излучения и размещенный снаружи корпуса теплоаккумулирующий материал, отличающийся тем, что отверстие для входа падающего излучения смещено относительно оси сферического корпуса, параллельной падающему излучению, на величину h = (0,55 - 0,63) R, где R - внутренний радиус сферического корпуса, а внутренняя поверхность корпуса выполнена с коэффициентом отражения падающего излучения, равным или большим 0,8.