АККУМУЛЯТОР ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ, СОДЕРЖАЩИЙ КАМЕРУ РАСШИРЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК F24J3/08 

Область техники

Изобретение относится к конструкции, используемой как аккумулятор тепловой энергии и содержащей колодец и по меньшей мере один туннель, сообщающиеся друг с другом по текучей среде. Данные колодец и по меньшей мере один туннель выполнены с возможностью помещения в них текучей среды для аккумулирования тепла.

Уровень техники

В сфере современных энергетических технологий существует потребность в эффективном аккумулировании тепловой энергии.

Тепловая энергия может аккумулироваться преимущественно в текучей среде, например, такой как вода, находящаяся в термоизолированных наземных резервуарах, в изолированных шурфах в земле или в искусственных подземных полостях с использованием окружающей земли в качестве термоизоляции. Тепловая энергия текучей среды может в значительной степени сохраняться в течение длительного периода времени. В настоящее время данные подходы применяются в различных частях мира, чтобы удовлетворить потребность в аккумулировании тепловой энергии между различными сезонами, например при аккумулировании временно избыточного тепла, которое будет использовано позднее, когда на него возникнет спрос и, предпочтительно, когда повысится его финансовая оценка. Главным переходом в отношении энергии является переход от летнего полугодия, когда потребность в нагреве меньше, к зимнему полугодию, когда эта потребность намного больше. Однако можно получить значительный выигрыш, если использовать аккумулирование в связи с краткосрочными колебаниями и всегда активно аккумулировать избыточное тепло. Эти типы аккумулирования применимы и к более холодной текучей среде, служащей для охлаждения, а также к текучей среде, имеющей промежуточную температуру, такой как текучая среда в низкотемпературных системах.

При подземном аккумулировании тепловой энергии приходится считаться с тем, что чем теплее становится текучая среда, тем больше увеличивается ее объем, т.е. тем больше пространства требуется для ее размещения. Кроме того, необходимо учитывать, во-первых, возможность утечки или аварий, во время которых текучая среда проникает в непредусмотренные для зоны аккумулятора и требуется несложным образом провести быстрое и безопасное ее удаление, а, во-вторых, - фактор воздействия, которое аккумулятор мог бы оказать на уровень воды в окружающей почве.

Эффективный вариант аккумулирования тепловой энергии описан в шведской патентной заявке 0950576-9. Тем не менее, существует потребность в еще более эффективных подземных средствах аккумулирования этой энергии.

Раскрытие изобретения

В одном своем аспекте изобретение направлено на создание экологически благоприятного подземного аккумулятора тепловой энергии, позволяющего снизить суммарные тепловые потери энергии. Другая задача состоит в создании усовершенствованного аккумулятора тепловой энергии, который имеет достаточно большую камеру расширения, отвечающую требованиям безопасности, и не требует излишних затрат на свою конструкцию или эксплуатацию, а в цикле аккумулирования тепловой энергии таким аккумулятором предусмотрена возможность использовать любую текучую среду, находящуюся внутри данной камеры.

Согласно первому аспекту изобретения эти задачи решены путем создания конструкции, образующей аккумулятор тепловой энергии, содержащий колодец и по меньшей мере один туннель, сообщающиеся друг с другом по текучей среде. У туннеля имеются по меньшей мере первая, вторая и третья секции, из которых вторая расположена между первой и третьей и соединена с ними. У своего конца, сопряженного с третьей секцией, вторая секция закупорена, а третья секция, кроме того, присоединена к колодцу. Колодец, а также первая и третья секции туннеля выполнены с возможностью помещения в них текучей среды для аккумулирования тепла, а вторая секция туннеля выполнена с возможностью применения в качестве камеры расширения, в которую поступает избыточный объем текучей среды, превышающий объем колодца, первой секции туннеля и третьей секции туннеля. Кроме того, конструкция содержит первое переносящее средство, посредством которого избыточный объем текучей среды временно переносится из колодца и/или из третьей секции туннеля в первую секцию туннеля, а также второе переносящее средство, посредством которого избыточный объем текучей среды переносится из первой секции туннеля во вторую.

При таком выполнении облегчается создание аккумулятора тепловой энергии, имеющего несколько встроенных камер расширения, что позволяет ему без чересчур неблагоприятных последствий функционировать даже при наличии в нем избыточного или недостаточного объема текучей среды.

Первое переносящее средство может содержать трубу или канал.

Второе переносящее средство может содержать трубу, канал, частичную стенку (т.е. стенку с уменьшенной высотой) или клапан одностороннего действия. Для прохождения текучей среды аккумулятора из одной его части в другую в конструкции по мере возможности используется сила тяжести, т.е. самое простое и наиболее дешевое техническое решение из всех возможных.

В одном из вариантов осуществления в конструкцию дополнительно входит отдельный машинный отсек, расположенный поблизости от колодца, а также третье переносящее средство, соединяющее этот отсек со второй секцией туннеля. Использование данного средства способствует простому и безопасному выведению текучей среды из машинного отсека в туннель.

Третье переносящее средство может содержать трубу или канал. Для прохождения текучей среды аккумулятора из одной его части в другую в конструкции по мере возможности используется сила тяжести, т.е. самое простое и наиболее дешевое техническое решение из всех возможных.

В другом варианте осуществления, если объем текучей среды в первой секции туннеля падает ниже заданного предельного значения, соответствующее количество текучей среды переводится в данную секцию из второй секции туннеля посредством откачивающего средства. Это еще одно простое техническое решение, используемое для поддерживания давления во внутреннем объеме конструкции.

Согласно второму аспекту изобретения поставленные задачи решены путем применения данной конструкции для аккумулирования тепловой энергии.

Все термины, используемые в формуле изобретения, должны интерпретироваться согласно их обычным значениям в соответствующей технической области, если их иные значения не разъяснены подробно в тексте. При отсутствии определенных разъяснений все ссылки на "элемент, устройство, компонент, средство и т.д." должны интерпретироваться как указания на наличие по меньшей мере одного указанного элемента, устройства, компонента, средства и т.д. При этом термины "содержащий/содержащая/содержащее" в описании и формуле означают "не вносящее ограничений наличие".

Краткое описание чертежей

Далее эти и другие аспекты изобретения будут описаны более подробно, со ссылками на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие вариант изобретения, предпочтительный на дату подачи заявки.

На фиг. 1 вариант конструкции согласно изобретению показан на виде сверху.

На фиг. 2 эта же конструкция показана, в сечении, на виде сбоку.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 и 2 представлен один из вариантов конструкции (т.е. аккумулятора) для подземного аккумулирования тепловой энергии. Аккумулируемое тепло поступает, в основном, от действующих промышленных производств, подключенных к региональной нагревательной системе, такой как установка для совместного производства тепла и электроэнергии. Другими возможными генераторами тепла являются, например, солнечные коллекторы и промышленное сбросное тепло.

Предлагаемый аккумулятор содержит колодец 1 и по меньшей мере один туннель 2, сообщающиеся друг с другом по текучей среде. Колодец 1 ориентирован, по существу, вертикально, а по меньшей мере один туннель 2 сконструирован, например, так, что он в виде спирали охватывает колодец 1 по всей его длине.

Туннель 2 имеет по меньшей мере три секции, а именно первую секцию 2а, вторую секцию 2b и третью секцию 2с. Они расположены по всему протяжению туннеля последовательно, т.е. сначала первая секция 2а, затем вторая секция 2b и, наконец, третья секция 2с, если смотреть на туннель в вертикальном направлении сверху вниз. Предусмотрена возможность разделить третью секцию 2с на несколько подсекций, однако, для упрощения обсуждения в дальнейшем описании во всех случаях она считается единым пространством.

Один конец первой секции 2а туннеля образует вход в туннель. Часто такой вход находится на уровне поверхности земли.

Кроме того, первая секция 2а туннеля присоединена к третьей секции 2с туннеля и/или к колодцу 1 (предпочтительно у его нижней части) через первое переносящее средство 5. Если в первой секции 2а туннеля объем текучей среды и, таким образом, давление в аккумуляторе уменьшаются ниже заданного предельного значения, может быть задействовано первое переносящее средство 5, обеспечивающее перемещение текучей среды из третьей секции 2с туннеля и/или из колодца 1 в первую секцию 2а туннеля, увеличивая данный объем с превышением указанного предельного значения. В случае необходимости и тоже с использованием первого переносящего средства 5 текучая среда может быть соответствующим образом перемещена в туннеле из первой секции 2а в третью секцию 2с и/или в колодец 1. Таким образом, первое переносящее средство 5 применяется для балансирования давления в секции 2а туннеля с целью увеличения или уменьшения количества текучей среды внутри данной секции.

Вторая секция 2b расположена в туннеле между первой секцией 2а и третьей секцией 2с. С секцией 2а она соединена одним своим концом 9, а с секцией 2с - своим противоположным концом 4. Сопряженный с секцией 2а конец 9 открыт, хотя и не полностью, для сообщения по текучей среде с применением второго переносящего средства 6, более подробно описанного далее. Сопряженный с секцией 2с конец 4 секции 2b закупорен, так что пройти в туннеле из третьей секции 2с во вторую секцию 2b текучая среда не может. В свою очередь, противоположный конец секции 2с туннеля присоединен к колодцу 1, предпочтительно у его нижней части.

Колодец 1 и третья секция 2с туннеля выполнены с возможностью удерживать в себе текучую среду для аккумулирования тепла. Имеется в виду, что они удерживают текучую среду во время стандартного применения аккумулятора. Количество текучей среды обычно таково, что она полностью заполняет данные колодец 1 и секцию 2с. Главное назначение первой секции 2а туннеля заключается в том, что она поддерживает определенный уровень текучей среды, чтобы поддерживать давление в аккумуляторе на уровне, не выходящем за пределы заданного интервала, т.е. секция 2а обычно удерживает в себе текучую среду для аккумулирования тепла и, таким образом, является частью конструкции аккумулятора. Однако секция 2а может выполнять также функцию временной краткосрочной буферной зоны, используемой при поступлении небольших количеств избыточной текучей среды из колодца 1 и/или из третьей секции 2с туннеля, а также в случае дефицита текучей среды в колодце и данной секции. Конкретно, при увеличении или уменьшении текучей среды в колодце 1 и третьей секции 2с туннеля происходит изменение уровня текучей среды внутри первой секции 2а.

В отличие от других секций, вторая секция 2b туннеля должна использоваться только в качестве камеры расширения. Если, например, вследствие нагрева увеличивается объем текучей среды, находящейся в колодце 1 и в третьей секции 2с туннеля, избыточный объем текучей среды переводится из них в первую секцию 2а туннеля через первое переносящее средство 5, такое как труба или канал.

Если же объем первой секции 2а туннеля оказывается недостаточным для удерживания избыточного объема текучей среды, данная среда переводится в туннеле из первой секции 2а во вторую секцию 2b через связывающее их второе переносящее средство 6, такое как труба, канал, частичная стенка или клапан одностороннего действия. Независимо от своей конкретной конструкции, второе переносящее средство 6 установлено так, что оно переносит текучую среду в туннеле из первой секции 2а во вторую секцию 2b только в случае превышения определенного объема внутри секции 2а, т.е. данное средство, по существу, выполняет функцию сброса избытка среды. Так, если средство 6, установленное в туннеле между первой секцией 2а и второй секцией 2b, содержит частичную стенку, она расположена в туннеле 2 так, что ее высота выбрана с возможностью в любом случае удерживать определенный объем текучей среды внутри секции 2а. Любое количество текучей среды, превышающее этот объем, будет перетекать поверх стенки 6 во вторую секцию 2b туннеля.

Кроме того, предлагаемый аккумулятор содержит машинный отсек 3, расположенный вблизи колодца 1, но не сообщающийся с ним. Конкретно, отсек 3 и колодец 1 не соединены между собой, например, туннелем, но, тем не менее, находятся очень близко друг от друга. Аккумулятор содержит также третье переносящее средство 7, соединяющее машинный отсек 3 со второй секцией 2b туннеля. В отсеке 3 установлено рабочее оборудование аккумулятора, например теплообменники, насосы и телескопические заборные трубы, используемые для забора текучей среды из колодца аккумулятора и возвращения ее обратно. Если в машинный отсек 3, например, в результате утечки или аварии попадет из колодца 1 или из секции 2а туннеля значительное количество текучей среды, для удаления ее во вторую секцию 2b туннеля используется третье переносящее средство 7, в предпочтительном варианте представляющее собой трубу или канал. Поскольку машинный отсек 3 предпочтительно размещен по вертикали выше секции 2b туннеля, такое удаление может быть проведено за счет силы тяжести.

Когда объем текучей среды в первой секции 2а туннеля и, соответственно, давление в аккумуляторе уменьшаются ниже заданного предельного значения, может быть использовано откачивающее средство 8, переносящее в секцию 2а текучую среду из секции 2b, чтобы увеличить объем в секции 2а выше данного предельного уровня. Таким образом, откачивающее средство 8 применяется для балансирования давления в секции 2а туннеля с целью увеличения или уменьшения количества текучей среды внутри данной секции 2а.

Если объем текучей среды во второй секции 2b туннеля становится слишком большим и нет возможности переместить текучую среду в первую секцию 2а туннеля, избыток откачивают из аккумулятора наружу, например в поверхностный сток воды. Однако, насколько это возможно, такого сброса следует избегать, поскольку вода имеет экономическую ценность и является ограниченным природным ресурсом.

Если текучая среда состоит из воды, уровень давления текучей среды в секции 2а туннеля и, соответственно, также и уровень давления в аккумуляторе нужно привести в соответствие с уровнем давления воды в окружающей земле. Однако, если текучая среда не является водой, уровень ее давления в секции 2а туннеля нужно привести в соответствие с уровнем, значение которого несколько меньше уровня давления воды в окружающей земле, чтобы исключить возможность утечки текучей среды из аккумулятора в окружающую грунтовую воду и, тем самым, устранить воздействие на эту воду. Такой способ может быть использован, например, когда в необлицованных полостях аккумулируют углеводород ископаемого или биологического происхождения (биотопливо), солевые растворы, морскую воду, аммиак или другую охлаждающую среду.

Специалисту будет понятно, что изобретение никоим образом не ограничено описанными предпочтительными вариантами. Наоборот, прилагаемая формула охватывает и многие другие модификации и варианты. Например, взаимное расположение машинного отсека, переносящих средств, колодца и секций туннеля может быть изменено в вертикальном направлении. Тогда использование насосов, каналов, труб или клапанов нужно согласовать с конкретной конфигурацией аккумулятора.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в подземных аккумуляторах тепловой энергии. Подземный аккумулятор содержит колодец и по меньшей мере один туннель, соединенные друг с другом с обеспечением сообщения по текучей среде. Туннель имеет по меньшей мере три секции. Вторая секция туннеля расположена между первой и третьей секцией, соединена с ними и закупорена у конца, сопряженного с третьей секцией, которая, кроме того, присоединена к колодцу. Колодец, а также первая и третья секции туннеля выполнены с возможностью помещения в них текучей среды для аккумулирования тепла. Вторая секция туннеля выполнена с возможностью применения в качестве камеры расширения, в которую поступает объем текучей среды, превышающий объем колодца, первой и третьей секции туннеля. Аккумулятор дополнительно снабжен первым переносящим средством для временного перевода избыточного объема текучей среды из колодца и/или третьей секции туннеля в первую секцию туннеля. Кроме того, у аккумулятора имеется второе переносящее средство для перевода избыточного объема текучей среды из первой секции туннеля во вторую секцию туннеля. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Конструкция для аккумулирования тепловой энергии, содержащая колодец (1) и по меньшей мере один туннель (2), соединенные друг с другом с обеспечением сообщения по текучей среде, при этом
туннель (2) имеет по меньшей мере первую секцию (2а), вторую секцию (2b) и третью секцию (2 с), причем вторая секция (2b) туннеля расположена между первой секцией (2а) и третьей секцией (2с) туннеля, соединена с ними и закупорена у конца (4), сопряженного с третьей секции (2 с) туннеля, которая дополнительно присоединена к колодцу (1),
колодец (1), а также первая секция (2а) и третья секция (2с) туннеля выполнены с возможностью помещения в них текучей среды для аккумулирования тепла,
вторая секция (2b) туннеля выполнена с возможностью применения в качестве камеры расширения, в которую поступает избыточный объем текучей среды, превышающий объем колодца (1), первой секции (2а) туннеля и третьей секции (2с) туннеля,
конструкция дополнительно снабжена первым переносящим средством (5) для переноса избыточного объема текучей среды из колодца (1) и/или из третьей секции (2с) туннеля в первую секцию (2а) туннеля, а также вторым переносящим средством (6) для переноса избыточного объема текучей среды из первой секции (2а) туннеля во вторую секцию (2b) туннеля.

2. Конструкция по п. 1, в которой первое переносящее средство (5) содержит трубу или канал.

3. Конструкция по п. 1, в которой второе переносящее средство (6) содержит трубу, канал, частичную стенку или клапан одностороннего действия.

4. Конструкция по п. 1, дополнительно содержащая отдельный машинный отсек (3), расположенный вблизи колодца (1), и третье переносящее средство (7), соединяющее машинный отсек (3) со второй секцией (2b) туннеля.

5. Конструкция по п. 4, в которой третье переносящее средство (7) содержит трубу или канал.

6. Конструкция по любому из предыдущих пунктов, снабженная откачивающим средством (8) для перемещения определенного количества текучей среды из второй секции (2b) туннеля в первую секцию (2а) туннеля в случае уменьшения объема текучей среды в первой секции (2а) туннеля ниже заданного предельного значения.

7. Применение конструкции, выполненной в соответствии с любым из предыдущих пунктов, для приведения уровня текучей среды в образованном ею аккумуляторе в соответствие с уровнем, лежащим ниже уровня воды в окружающей земле, чтобы исключить утечку текучей среды из аккумулятора в окружающую грунтовую воду.

8. Применение конструкции, выполненной в соответствии с любым из пп. 4-6, для соединения машинного отсека (3) со второй секцией (2b) туннеля в целях осушки указанного отсека и/или из соображений безопасности.