ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩАЯ КАПСУЛА Российский патент 1997 года по МПК F24H7/00 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к тепловым аккумуляторам регенеративным теплообменникам, предназначенным для накопления, хранения и отдачи тепла.

Известен прототип изобретения теплоаккумулирующая капсула, герметичная полость которой образована двумя коаксиальными цилиндрами, заполненная теплоаккумулирующим веществом, претерпевающим фазовое превращение в рабочем диапазоне температур. Полость капсулы разделена плоскими, установленными радиально продольными перегородками, которые прикреплены к обоим цилиндрам (LOW TEMPERATURE LATENT HEAT THERMAL ENERGY STORAGE by A. Abhat published in "TERMAL ENERGY STORAGE" Lectures of a Course held at the Joint Research Centre, Ispra, Italy, June, 1-5, 1981, page 69, Fig. 22.).

Недостатком прототипа является низкая эффективность теплоотдачи как при накоплении (зарядке), так и при отдаче (разрядке) тепла.

При разрядке недостаток прототипа обусловлен низкой скоростью остывания теплоаккумулирующего вещества вследствие высокого термического сопротивления слоя твердой фазы, образующегося на внутренних поверхностях капсулы, препятствующего интенсивному отводу тепла от остальной, находящейся в жидкой фазе части теплоаккулирующего вещества.

При зарядке недостаток прототипа обусловлен низкой скоростью нагрева теплоаккумулирующего вещества, из-за недостатка поверхности теплообмена, большая часть которой образована поверхностью ребер.

Технической задачей заявляемого изобретения является создание конструкции теплоаккумулирующей капсулы, обеспечивающей высокую эффективность теплообмена как при зарядке, так и при разрядке.

Решение этой задачи достигается тем, что в теплоаккумулирующей капсуле, содержащей перегородки и заполненной теплоаккумулирующим веществом, претерпевающим фазовое превращение в рабочем диапазоне температур, перегородки выполнены примыкающим к капсуле и друг к другу за счет упругости материала, из которого они изготовлены, причем максимальное расстояние между перегородками δ определяется зависимостью
δ = K(λ/ρQ)^0,5,
где K=(80 170) эмпирический коэффициент;
λ коэффициент теплопроводности теплоаккумулирующего вещества, находящегося в твердой фазе;
r плотность теплоаккумулирующего вещества, находящегося в твердой фазе;
Q теплота фазового перехода.

Выполнение перегородок примыкающими к капсуле и друг к другу за счет упругости материала, из которого они изготовлены, обеспечивает в местах примыкания надежный тепловой контакт, обладающий малым термическим сопротивлением, повышающий эффективность теплообмена.

Размещение перегородок в капсуле на расстоянии между ними, определяемом в соответствии с приведенной выше зависимостью, обеспечивает отдачу тепла со скоростью, превышающей скорость роста слоя твердой фазы на внутренних поверхностях капсулы. Таким образом обеспечивается высокая эффективность теплообмена при разрядке.

Кроме того, такое размещение обусловливает число и форму перегородок, обладающих значительной теплообменной поверхностью, благодаря чему достигается высокая эффективность теплообмена при зарядке.

Выполнение перегородок примыкающими друг к другу и к капсуле за счет упругости материала перегородок обеспечивает демпфирование вынуждающих колебаний, чем и достигается высокая вибростойкость заявляемой капсулы.

Следует отметить, что зависимость, определяющая расстояния между перегородками, позволяет использовать заявляемое изобретение в капсулах практически любой конфигурации, в том числе сферических, торообразных, цилиндрических и т.п.

На фиг. 1 представлен продольный разрез цилиндрической теплоаккумулирующей капсулы с гамма-образными радиальными перегородками; на фиг. 2 поперечный разрез фиг. 1; на фиг. 3 продольный разрез цилиндрической теплоаккумулирующей капсулы с Л-образными перегородками; на фиг. 4 поперечный разрез фиг. 3; на фиг. 5 продольный разрез цилиндрической теплоаккумулирующей капсулы с тарельчатыми перегородками; на фиг. 6 поперечный разрез фиг. 5.

Все представленные варианты капсул содержат цилиндрический корпус 1, на торцах которого герметично закреплены днища 2. В герметичной полости капсул установлены перегородки 3, торцы которых примыкают к днищам 2. Перегородки 3 примыкают друг к другу в местах 4 и к капсуле в местах 5 с образованием теплового контакта с малым термическим сопротивлением. Перегородки 4 разделяют полость капсулы на полости 6, заполненные теплоаккумулирующим веществом (не показано), размеры которых определяются приведенной выше зависимостью.

Заявляемая теплоаккумулирующая капсула работает следующим образом.

При зарядке капсулы горячий теплоноситель, например вода, омывая наружную поверхность капсулы, корпус 1 нагревает ее. При этом поток тепла, проходя через стенку корпуса, нагревает теплоаккумулирующее вещество, контактирующее с внутренней поверхностью корпуса 1. Благодаря малому термическому сопротивлению в местах контакта 5 перегородок 3 с внутренней поверхностью корпуса 1 поток тепла, распространяясь по перегородкам 3, нагревает теплоаккумулирующее вещество в центральной части капсулы. Таким образом, развитая за счет перегородок поверхность теплообмена заявляемой теплоаккумулирующей капсулы, обеспечивает эффективный нагрев, а затем при достижении рабочего диапазона температур и расплавление теплоаккумулирующего вещества, т.е. переход его в жидкую фазу.

При разрядке капсулы холодный теплоноситель, омывая корпус 1, снаружи охлаждает его наружную поверхность. При этом тепло фазового перехода, предварительно накопленное теплоаккумулирующим веществом, передается от него корпусу 1 как непосредственно, так и через перегородки 3, а затем холодному теплоносителю. Этот процесс сопровождается образованием слоя твердой фазы теплоаккумулирующего вещества на внутренней поверхности корпуса 1 и на перегородках 3, имеющего большое термическое сопротивление. Расстояние между перегородками 3, определенное в соответствии с приведенной зависимостью, обеспечивает отдачу тепла со скоростью, превышающей скорость роста слоя твердой фазы на внутренних поверхностях капсулы. Таким образом обеспечивается высокая эффективность теплообмена при разрядке.

Заявляемая теплоаккумулирующая капсула обеспечивает высокую эффективность теплообмена на всех режимах работы, благодаря чему при ее использовании могут быть получены высокие эксплуатационные характеристики теплового аккумулятора в целом быстрое и эффективное накопление и отдача тепла, высокая вибростойкость.

Использование: в теплотехнике, в частности в тепловых аккумуляторах. Теплоаккумулирующая капсула образует герметичную полость, заполненную теплоаккумулирующим веществом, претерпевающим фазовое превращение в рабочем диапазоне температур, в которой установлены перегородки, примыкающие друг к другу и к внутренней поверхности капсулы за счет сил упругости материала перегородок. Максимальное расстояние между перегородками определяется зависимостью от коэффициента теплопроводности, плотности и теплоты фазового перехода теплоаккумулирующего вещества. Теплоаккумулирующая капсула устойчива к воздействию вибрации и обеспечивает эффективный теплообмен при накапливании и отдаче тепла. 6 ил.

Теплоаккумулирующая капсула, содержащая корпус, имеющий герметичную полость с установленными в ней перегородками, заполненную теплоаккумулирующим веществом, претерпевающим фазовое превращение в рабочем диапазоне температур, отличающаяся тем, что перегородки выполнены из упругого материала, например, γ - образными, Л-образными или тарельчатыми, примыкающими друг к другу и к корпусу капсулы соприкасающимися частями за счет упругости материала, из которого они сделаны, причем максимальное расстояние δ между перегородками определяется зависимостью
δ = K(λ/ρQ)^0,5,
где К (80.170) эмпирический коэффициент;
λ - коэффициент теплопроводности теплоаккумулирующего вещества, находящегося в твердой фазе;
ρ - плотность теплоаккумулирующего вещества, находящегося в твердой фазе;
Q теплота фазового перехода.