ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F24H7/02 F24D15/02 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для отопления помещений.

Известен теплоаккумулирующий нагреватель, имеющий фазовый теплоаккумулирующих блок на фазовых переходах с герметичной капсулой, в которой в качестве теплоаккумулирующей среды использованы смеси солей натрия, калия или магния. Блок установлен в корпусе и засыпан теплоизоляцией. Нагреватель имеет также электрический нагревательный элемент.

При работе в режиме аккумулирования теплоты включают электрический нагревательный элемент. При работе в режиме теплоотдачи нагревательный элемент выключают, воздух под действием естественной конвекции циркулирует вокруг корпуса теплоаккумулирующего нагревателя, отводя тепло от теплоаккумулирующего блока. Теплоаккумулирующий блок может непосредственно омываться потоком воздуха, движущимся под действием естественной или принудительной конвекции. Такой электрический нагреватель был изготовлен и испытан. В процессе испытаний выявилась особенность данной смеси солей натрия, калия и магния, связанная с удержанием магнием гидроксильной группы в период подготовки соли и заливки. В процессе работы герметизированной капсулы гидроксильная группа выделяется и разлагается на водород и кислород. Водород находится в газовой полости капсулы, а кислород вступает в реакцию с KCl и образует KClO₃.

В последующих термоциклах создаются условия для разложения KClO₃ и внезапного выделения кислорода в полость, заполненную водородом. При этом образуется "гремучая смесь", которая взрывается. В экспериментах был отмечен случай взрыва, сопровождающийся разрушением капсулы и выбросом соли в помещение.

Авторы данного изобретения считают применение потенциально опасных накопителей тепла на смеси солей натрия, калия и магния недопустимым и выдвигают предложение по созданию безопасных накопителей тепла на фазовых переходах солей металлов натрия и кальция.

Технической задачей изобретения является создание безопасного нагревателя путем введения в нагреватель смеси солей натрия и кальция и предохранительного клапана.

Технический результат обеспечивается тем, что в электрическом нагревателе, содержащем корпус, внутри которого расположена капсула, не менее 95% внутреннего объема которой заполнено эвтектической смесью хлоридных солей натрия и кальция при рабочей температуре 500^oC.

По центру капсулы или вокруг нее установлены трубчатые электронагревательные элементы.

Коаксиальное расположение по оси капсулы трубчатого элемента (ТЭН) обеспечивает практически полное (за исключением торцевого ввода ТЭНа) окружение теплоаккумулирующей средой источника тепла. Все тепло, выделяемое ТЭНом, передается теплоаккумулирующей среде через стенки трубы. Кроме того, для обеспечения более эффективного нагрева теплоаккумулирующей среды температуру ТЭНа можно повышать без опасения дополнительных теплопотерь в окружающую среду. ТЭН помещен в трубу из нержавеющей стали для повышения надежности его работы, учитывая повышенную температуру по сравнению с температурой плавления теплоаккумулирующего вещества. Электронагреватель ТЭНа не имеет электрического контакта с теплоаккумулирующим веществом, снимая требование его неэлектропроводности. ТЭН не подвергается коррозии в среде плавящегося сердечника.

Размещение одного или нескольких дополнительных ТЭН вокруг ампулы позволяет ускорить нагрев помещения при включении холодного нагревателя и регулировать тепловой поток из теплоаккумулятора в окружающую среду. Последовательное выключение ТЭН уменьшает поток тепла. Внутри капсулы с плавящимся сердечником установлены ребра из теплопроводного материала, например, из стали, которые уменьшают перепад температур по сечению капсулы и температуру ТЭН. Теплоаккумулирующим веществом является электрическая смесь хлоридных солей натрия и калия, 33 NaCl, 67 CaCl₂; температура плавления смеси солей равна Т_пл 500^oC.

Заполнение внутренней полости капсулы на величину не более 95% объема при максимальной рабочей температуре, например, 550^oC вызвано необходимостью сохранения в газовой полости низкого давления при изменении объема теплоаккумулирующего вещества при фазовом переходе и последующем нагреве. Предохранительный клапан предназначен для ограничения избыточного давления в газовой полости капсулы безопасной величиной, равной 1 ^oC 2 атм.

На чертеже приведена конструкция электрического нагревателя.

Он состоит из стальной цилиндрической капсулы 1, заполненной теплоаккумулирующим веществом 2, трубчатого электрического нагревателя 3, вставленного в трубу 4, которая зафиксирована по центру капсулы. Внутри капсулы установлены ребра 5. Вокруг капсулы также могут быть размещены один или несколько ТЭН поз. 6, капсула содержит предохранительный клапан поз. 7. Пространство между капсулой 1 и корпусом 8 заполнено теплоизоляцией 9.

Работает электрический нагреватель следующим образом.

При подведении электропитания к электрическому нагревателю происходит выделение тепла, которое передается через стенку трубы к теплоаккумулирующему веществу. Вещество разогревается и постепенно расплавляется в радиальном направлении. После полного расплавления теплоаккумулирующего вещества процесс накопления тепла заканчивается и электрический нагреватель отключается. Запасенное тепло передается через наружную, преимущественно цилиндрическую стенку корпуса. Толщина теплоизоляции в цилиндрической части нагревательного элемента выбрана таким образом, чтобы величина потока через него обеспечивала расход запасенного тепла равномерно в течение времени разрядки, когда происходит затвердевание теплоаккумулирующего вещества от стенок к центру. После полного затвердевания нагреватель готов к повторному циклу.

Указанный электрический нагреватель изготовлен следующим образом.

Теплоаккумулирующее вещество состава мол.%: 33 NaCl, 67 CaCl₂ расплавляют и заполняют им стальную капсулу. При максимальной рабочей температуре 550^oC расплавленные соли занимают 95% объема капсулы. Затем капсулу герметизируют и охлаждают.

ТЭН, выполненный с односторонним подводом электроэнергии, устанавливают в трубу капсулы. Капсулу с помощью дистанционаторов устанавливают в корпусе. Полость между капсулой и корпусом заполняют теплоизоляционным материалом.

Использование: для отопления помещений. Сущность изобретения: электрический нагреватель содержит корпус 8, внутри которого размещена капсула 1, не менее 95% внутреннего объема которой заполнено эвтектической смесью хлоридных солей натрия и кальция. По центру и вокруг капсулы 1 установлены трубчатые электронагревательные элементы 6. Капсула 1 внутри может быть снабжена продольными металлическими ребрами 5 и предохранительным клапаном 7. Пространство между корпусом 8 и капсулой 1 заполнено теплоизоляцией 9. Конструкция обеспечивает безопасность работы. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электрический нагреватель, содержащий корпус, внутри которого размещена капсула, заполненная на 95% объема теплоаккумулирующим веществом с фазовым переходом в зоне рабочих температур, и электронагревательные элементы, подключенные к источнику питания, отличающийся тем, что капсула содержит в качестве теплоаккумулирующего вещества эвтектическую смесь хлоридных солей натрия и кальция. 2. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что капсула содержит внутри ребра из теплопроводного материала, например, стали. 3. Нагреватель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на капсуле установлен предохранительный клапан. 4. Нагреватель по пп.1 3, отличающийся тем, что один или несколько электрических нагревателей размещены вокруг ампулы.