РЕГЕНЕРАТОР Российский патент 1996 года по МПК F23L15/02 F24H7/00 

Изобретение относится к регенераторам, например воздухонагревателям или тепловым аккумуляторам в составе солнечной установки с аккумулирующим сердечником для накапливания сенсибилизированной тепловой энергии, изготовленным, например, из керамического материала, причем к аккумулирующему сердечнику для зарядки с одной "горячей" стороны подается горячий зарядный поток до тех пор, пока на противоположной "холодной" стороне сердечника не будет достигнута максимально допустимая температура выходящего зарядного потока, и в аккумулирующий сердечник с другой "холодной" стороны для разрядки подается холодный разрядный поток до тех пор, пока на "горячей" стороне не будет достигнута минимально допустимая температура выходящего разрядного потока.

У подобных регенераторов функцию зарядных и разрядных потоков выполняют как правило воздушные (или газовые) потоки. Максимально допустимая температура выхода зарядного потока составляет, например, менее 400^оС. Минимально допустимая температура выхода разрядного потока составляет, например, более 600^оС, чтобы можно было использовать последовательно подключенное дополнительное устройство.

В специальном журнале "Сталь и чугун" (95, 1975, N 17, с. 802-806) описываются воздухонагреватели различных типов и конструкция входящих в их состав аккумулирующих сердечников. Последние скомпанованы из блоков различных керамических материалов, что позволяет создавать необходимый температурный профиль по высоте сердечника.

Известно воздухонагревательное устройство с тремя воздухонагервателями, присоединенными к доменной печи, которые работают попеременно в режимах зарядки и разрядки.

Известны обкладочные блоки аккумулирующего сердечника воздухонагревателя с воздушными каналами особой конфигурации, обеспечивающими улучшенную теплопередачу.

Известна особая конструкция обкладочных блоков воздухонагревателей с отверстиями, причем все сквозные отверстия слоев соединены между собой.

Известен регенератор с аккумулирующим сердечником, обладающим повышенной теплоемкостью. Для ее увеличения предлагается особая конфигурация обкладочных блоков в располагающихся друг над другом зонах.

В исследовательском проекте "РНОЕВUS" речь идет о солнечной установке, в которой с помощью зеркала осуществляется нагревание чувствительного элемента. Соответствующая тепловая энергия накапливается в генераторе рассмотренного выше типа за счет использования воздуха в качестве теплоносителя и через парогенератор приводит в действие паровую турбину, производящую электрический ток. Аккумулирующий сердечник днем должен заряжаться, а ночью разряжаться.

Цель изобретения заключается в повышении теплоемкости регенератора вышеуказанного типа без увеличения его объема или в уменьшении объема и соответственно габаритов регенератора без изменения его теплоемкости.

Поставленная цель достигается за счет того, что на горячей и/или холодной стороне аккумулирующего сердечника в качестве теплового буфера создается слой, который обеспечивает сверхпропорциональное замедление достижения максимально допустимой выходной температуры зарядного потока и/или минимально допустимой выходной температуры разрядного потока или обеспечивает сверхпропорциональное повышение теплоемкости сердечника.

Присутствие этих дополнительных слоев, выполняющих функцию температурного буфера, приводит к поразительному эффекту, заключающемуся в том, что повышенную теплоемкость обнаруживают не только слои из видоизмененного материала, но особенно значительно возрастает теплоемкость неизмененного материала, расположенного между слоями из измененного материала, а следовательно, сверхпропорционально увеличивается суммарная теплоемкость устройства.

В результате изменения указанные буферные слои могут приобретать следующие новые свойства:
повышенную теплоемкость благодаря более высокой плотности и/или более высокой удельной теплоемкости,
повышенную теплоемкость благодаря введению латентного материала (например, солевой керамики) и использованию эффекта фазового превращения, например, энтальпии плавления соли,
повышенную теплоемкость за счет введения материала, претерпевающего химическое превращение,
измененные геометрические параметры, например увеличенную удельную поверхность.

В зависимости от конкретного применения следует отдать предпочтение тому или иному варианту решения проблемы или их комбинации.

Наиболее предпочтительным согласно изобретению является использование слоя, состоящего из аккумулирующего тепловую энергию материала с латентной (скрытой) теплотой, обусловленной фазовым превращением, причем особенно удобно для этой цели использовать энтальпию плавления. Скрытая теплота фазового перехода в таком слое способствует повышению теплоемкости регенератора без увеличения его габаритов. Установлено, однако, что этот эффект проявляется менее выражено в сравнении с тем обстоятельством, что аккумулирующий скрытую теплоту плавления материал играет роль теплового буфера, и таким образом аккумулирующий сердечник из обычного материала (не содержащего компонент со скрытой теплотой фазового перехода) способен поглощать больше сенсибилизированной тепловой энергии, чем в обычной ситуации, когда наличие теплового буфера не предусматривается.

Благодаря применению относительно мало модифицированного (но дорогостоящего) материала, например солевой керамики, материала с модифицированной структурой теплоемкость регенератора возрастает сверхпропорционально. Этот факт означает, что согласно сегодняшним расчетам при одинаковых габаритах установки ее стоимость увеличивается в значительно меньшей степени по сравнению с теплоемкостью.

Наиболее предпочтительно иметь слои, выполняющие роль тепловых буферов, как на горячей, так и на холодной сторонах регенератора. Для уже изготовленных регенераторов создание дополнительных слоев с функцией температурного буфера может оказаться затруднительным. Но к повышению теплоемкости регенератора приводит создание только одного такого слоя.

Другие преимущества изобретения вытекают из рассмотрения зависимых пунктов патентной формулы и нижеследующего описания.

На фиг. 1 схематически изображен воздухонагреватель, разрез; на фиг. 2 регенератор в качестве теплового аккумулятора солнечной установки; на фиг. 3 блок из солевой керамики как элемент слоя, являющегося температурным буфером; на фиг. 4 проиллюстрировано изменение температуры газа на входе и выходе в зависимости от времени зарядки и разрядки теплового аккумулятора солнечной установки; на фиг. 5 изменение температуры на выходе в зависимости от времени разрядки для аккумулятора сенсибилизированного тепла (современный уровень техники) в сравнении с усовершенствованными согласно изобретению аккумулятором тепловой энергии, снабженным двумя материалами со скрытой теплотой фазового превращения; на фиг. 6 зависимость температуры от длительности зарядки регенератора солнечной установки и его высоты (современный уровень техники); на фиг. 7 зависимость температуры от времени, аналогичная фиг. 6, но для регенератора, усовершенствованного согласно изобретению; на фиг. 8 количество аккумулируемой тепловой энергии в зависимости от высоты регенератора (для ситуаций, представленных на фиг. 6 и 7).

Воздухонагреватель (фиг. 1) состоит из аккумулирующего сердечника 1 и расположенной вне его камеры горения 2. На верхней горячей стороне аккумулирующего сердечника 1 имеется слой 3, а на нижней холодной стороне сердечника слой 4. Один из слоев 3 или 4 может отсутствовать. Аккумулирующий сердечник 1 и слои 3 и 4 образуют регенератор.

Аккумулирующий сердечник 1 состоит из блоков керамического материала. Блоки по высоте аккумулирующего сердечника 1 могут быть подобраны из отличающихся по своей природе керамических материалов, что обеспечивает необходимое соответствие теплофизических свойств изменяющимся по высоте термическим и механическим воздействиям.

Похожую конструкцию имеет и регенератор, изображенный на фиг. 2. Он предназначен для использования в качестве теплового аккумулятора в составе солнечной установки. Подобные регенераторы имеют высоту порядка 20-40 м, причем, например, верхняя температура составляет не менее 600-1550^оС, а нижняя температура менее 400^оС.

Верхний 3, нижний 4 слои могут, например, состоять из нескольких поясов, образованных блоками. Один такой блок избражен на фиг. 3. Блок 5 имеет несколько сквозных отверстий 6 для зарядного воздушного потока α и разрядного воздушного потока Е. В отличие от блоков, образующих аккумулирующий сердечник 1, керамический материал, из которого выполнен блок 5, обладает микропористой структурой, в составе которой в качестве материала со скрытой (латентной) теплотой фазового превращения, используются соли. В целом блок 5 изготовлен из солекерамического материала. В качестве керамического материала пригодна, например, окись магния MgО. В него вводят 30-60 об. преимущественно 45 об. соли, в качестве которой можно использовать, например, карбонаты, сульфаты, фториды.

Поскольку температуры в области верхнего 3 и нижнего 4 слоев как при разрядке регенератора, так и при его зарядке сильно различаются, для блоков 5 верхнего 3 и нижнего 4 слоев должны быть подобраны разные соли, обладающие различной энтальпией плавления.

Для верхнего слоя 3 подбирается соль с температурой плавления, которая находится в диапазоне между температурой зарядного потока α и минимально допустимой температурой на выходе разрядного потока Е, чтобы при зарядке обеспечивалось плавление соли, а при разрядке ее затвердевание. В соответствии с этим для нижнего слоя 4 применяют соль, температура плавления которой находится в диапазоне между температурой разрядки и максимально допустимой температурой на выходе зарядного потока воздуха.

Толщина (или высота) слоев 3 и 4 и диаметр сквозных отверстий 6 подбирают таким образом, чтобы можно было обеспечить соответствующий температурный режим для плавления и затвердевания солей. Сравнительно малый диаметр сквозных отверстий 6 может способствовать улучшению теплопередачи в направлении соли.

Глубина (или высота) слоев 3 и 4 в сумме составляет 10-35% от общей высоты аккумулирующего сердечника 1. При условии, что общая высота аккумулирующего сердечника 1 в совокупности со слоями 3 и 4 составит 20 м, высота каждого из слоев 4 и 3 должна быть равной 2м. Следует стремиться к более низким значениям высоты верхнего 3 и нижнего 4 слоев, поскольку блоки, из которых они состоят, значительно дороже блоков, из которых выполнен аккумулирующий сердечник 1. Между прочим, увеличение толщины слоев 3 и 4 приводит лишь к незначительному положительному эффекту, так как их толщина должна быть такой, чтобы при изменении температуры могли быть реализованы процессы плавления и затвердевания содержащихся в них солей.

На фиг. 4 сплошными линиями изображена зависимость температуры зарядного воздушного потока α, пропускаемого через регенератор сверху и снизу в течение периода зарядки, от длительности зарядки, а штриховыми линиями аналогичная зависимость для разрядного воздушного потока Е, пропускаемого через регенератор сверху и снизу во время разрядки. Представленные данные справедливы для обычного регенератора, не оснащенного дополнительными элементами, являющимися предметом изобретения. Улучшение ситуации благодаря применению верхнего 3 и нижнего 4 слоев проиллюстрировано на фиг. 5 на примере разрядного воздушного потока Е.

В случае зарядки регенератора необходимо иметь ввиду, что максимально допустимой температуре выходящего зарядного потока воздуха Gα соответствует предельная температура нижней стороны регенератора, которая не может быть превышена во избежание повреждения расположенных в этой зоне элементов конструкции. Согласно диаграмме 4 эта предельная температура выходящего потока воздуха Gα составляет около 250^оС.

В случае разрядки регенератора предельной температурой является минимально допустимая температура выходящего разрядного потока воздуха GE. Эта температура должна быть достаточно высокой, чтобы последовательно присоединенный к регенератору аппарат, например, доменная печь или паровая турбина, мог быть обеспечен зарядным потоком, имеющим достаточно высокую температуру. Для воздухонагревателя, представленного на фиг. 1, такой температурой является минимальная температура, необходимая для нормальной работы присоединенной к нему доменной печи. Для регенератора, изображенного на фиг. 2, такой температурой является минимальная температура, необходимая для эксплуатации теплоомбенника, подключенного к паровой турбине. В соответствии с фиг. 4 эта предельная температура GE составляет около 650^оС. Каждому конкретному случаю соответствуют свои более высокие или более низкие значения предельных температур Gα и GE. Данные, представленные на фиг. 4, справедливы и для рассматриваемых ниже температурно-временных зависимостей.

Согласно фиг. 4 сверху в регенератор поступает зарядный воздушный поток α с температурой 700^оС. Выходящий снизу зарядный поток имеет температуру около 185^оС. Как только температура этого потока достигает величины предельной выходной температуры G α, посредством регулирующего устройства производится выключение зарядного потока α, после чего становится возможным начало разрядки.

При разрядке разрядный поток воздуха Е с температурой около 185^оС направляется в нижнюю часть регенератора. Это приводит к тому, что температура верхней части регенератора постепенно снижается до 700^оС. Разрядный поток Е первоначально покидает регенератор, имея температуру около 700^оС, и затем охлаждается. Когда его температура достигает предельной величины GE, разрядка заканчивается.

Штриховая линия на фиг. 5 соответствует разрядке теплового аккумулятора, который поглощает лишь сенсибилизированную теплоту, при этом температура изменяется от 700^оС до предельной температуры GE, составляющей 650^оС. Для сравнения сплошной линией обозначена кривая разрядки для одного из тепловых аккумуляторов согласно изобретению. Очевидно, что слои 3 и 4 обеспечивают появление стабилизирующего температурного эффекта, и предельная температура GE достигается гораздо позднее.

На фиг. 6 приведены температурные профили по высоте аккумулирующего сердечника, изготовленного в соответствии с современным уровнем техники, снятые через определенные отрезки времени. Сплошным линиям соответствует температура материала, из которого изготовлен аккумулирующий сердечник. Пунктирным линиям соответствует температура зарядного потока. Рассматривая температурный профиль, например, на уровне середины высоты сердечника (10 м), можно видеть, что в начальный момент зарядки в соответствующей зоне устанавливается температура около 370^оС, а в конце процесса зарядки она составляет около 500^оС. Таким образом температурный перепад при аккумулировании сенсибилизированной теплоты составляет около 130^оС.

Напротив, рассматривая диаграмму, представленную на фиг. 7, можно видеть, что благодаря наличию слоев 3 и 4 существуют области одинаковой температуры I и II. Между этими областями температурный профиль расширяется без изменения предельных температур GE и CL в области Ш, которая соответствует аккумулирующему сердечнику I. Данное расширение является следствием того, что аккумулирующий сердечник 1 может поглощать, а следовательно, и отдавать значительно большее количество сенсибилизированной теплоты по сравнению с сердечником в обычном техническом исполнении, не пpедусматривающем наличия слоев 3 или 4.

При рассмотрении, например, температуры на уровне 10 м (средняя высота, фиг. 7) видно, что в процессе зарядки температура изменяется в диапазоне 230-840^оС. Следовательно, температурный перепад в аккумулирующем сердечнике 1 достигает примерно 600^оС в отличие от ситуации, характерной для обычного конструктивного исполнения, где температурный перепад не превышает 130^оС (фиг. 6). Благодаря наличию слоев 3 и 4 и соответствующих им температурных областей I и II достигается значительное увеличение теплопоглощающей способности аккумулирующего сердечника 1, выполненного из обычного керамического материала, по отношению к сенсибилизированной теплоте.

Этот эффект иллюстрирует, в частности, фиг. 8, на которой приведены теплофизические характеристики аккумулирующего устройства в целом и в зависимости от уровня.

Использование: для воздухонагревателя или теплового аккумулятора в составе солнечной установки для накапливания сенсибилизированной тепловой энергии. Сущность изобретения: регенератор имеет аккумулирующий сердечник 1 из керамического, металлического или природного материала. К аккумулирующему сердечнику 1 для зарядки с горячей стороны подводится горячий зарядный поток до тех пор, пока на другой холодной стороне не будет достигнута максимально допустимая температура. Для разрядки к аккумулирующему сердечнику 1 с холодной стороны подводится холодный разрядный поток до тех пор, пока на горячей стороне не будет достигнута минимально допустимая выходная температура разрядного потока. Чтобы повысить теплоемкость сенсибилизированной тепловой энергии, не увеличивая размеров сердечника, горячая и / или холодная стороны аккумулирующего сердечника 1 оборудуются слоями 3, 4, выполняющими функции тепловых буферов, сверхпропорционально замедляющих процесс достижения максимально допустимой температуры выходного потока или обеспечивающих сверхпропорциональное повышение сердечника. 9 з. п. ф., 8 ил.

1. РЕГЕНЕРАТОР, например, воздухонагревателя или теплового аккумулятора в солнечной установке с выполненными из нескольких слоев аккумулирующим сердечником из керамического, или металлического, или натурального материала, отличающийся тем, что на горячей и/или холодной стороне аккумулирующего сердечника расположен слой, состоящий из аккумулирующего тепловую энергию материала со скрытой теплотой фазового превращения. 2. Регенератор по п.1, отличающийся тем, что аккумулирующий тепловую энергию материал со скрытой теплотой фазового превращения представляет собой комбинированный материал соль-керамика. 3. Регенератор по п.2, отличающийся тем, что аккумулирующий тепловую энергию материал со скрытой теплотой фазового превращения выполнен из блоков, керамическая структура которых включает соли в качестве аккумулирующего материала со скрытой теплотой фазового превращения. 4. Регенератор по п.3, отличающийся тем, что блоки снабжены сквозными отверстиями. 5. Регенератор по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что упомянутый слой, находящийся на горячей стороне, имеет более высокую температуру фазового превращения по сравнению со слоем, расположенным с холодной стороны. 6. Регенератор по одному из пп. 1 5, отличающийся тем, что упомянутые слои изготовлены из сыпучих материалов. 7. Регенератор по одному из пп.1 6, отличающийся тем, что аккумулирующий материал выполнен из металла или из натурального материала. 8. Регенератор по одному из пп. 1 7, отличающийся тем, что толщина упомянутых слоев составляет 10 35% от высоты аккумулирующего сердечника. 9. Регенератор по одному из пп. 1 8, отличающийся тем, что слои выполнены с одинаковой толщиной. 10. Регенератор по одному из пп. 1 9, отличающийся тем, что сквозные поперечные сечения отверстий блоков упомянутых слоев меньше, чем поперечное сечение аккумулирующего сердечника.