АККУМУЛЯТОР ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2017 года по МПК F24H7/04 F24J2/42 F24J2/34 

Описание патента на изобретение RU2626922C2

Изобретение относится к хранению тепла или холода, используемых для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования и получения электроэнергии.

Известны аккумуляторы тепловой энергии (ТА), резервуаром которых является полость в скальных породах, содержащая 100 тыс. м3 воды, имеющая кольцевую форму и не теплоизолированная. Прилежащие к полости слои скальной породы принимают участие в тепловом аккумулировании энергии [Бекман Г., Гилли П. Тепловые аккумулированные энергии. - М.: Мир, 1987, с. 148, рис. 4.27].

Недостатком данного вида теплового аккумулятора являются: уникальность таких естественных или искусственных полостей, препятствующая их широкому распространению; долгое время зарядки, препятствующее съему энергии с частично заряженного аккумулятора; значительные потери воды через микротрещины скальной породы; максимальная температура теплоносителя - не более 100°C.

Известны также аккумуляторы с аккумулирующей средой в виде резервуара, содержащего вещество с фазовым превращением (ВФП), через которые проходят и омывают ее попеременно два газовых потока [Бекман Г., Гилли П. Тепловые аккумулированные энергии. - М.: Мир, 1987, с. 146, рис. 4.24].

Недостатком данного вида теплового аккумулятора являются: высокая стоимость вещества с фазовым переходом (ВФП) (к которым относятся соли металлов и неметаллов, стеарин, парафин, и т.д.), препятствующая их широкому распространению; долгое время зарядки, препятствующее съему энергии с частично заряженного аккумулятора; фиксирована максимальная температура теплоносителя - для теплового аккумулятора на стеарине, парафине (наиболее широко распространенных ВФП) не более 70°C; пожароопасность разогретых стеарина и парафина; присутствует потребность в дорогостоящем термоизолированном герметичном металлическом резервуаре из специальной стали.

Известен тепловой аккумулятор солнечной установки на 10 МВт в г. Барстоу (США). Аккумулирующий резервуар выполнен в виде цилиндрического сосуда объемом более 3000 м3, аккумулирующая среда выполнена из гранитной щебенки, а в качестве теплоносителя используют масло. Сосуд аккумулятора заряжается острым паром, который затем охлаждается. В режиме разрядки питательная вода поступает в разрядный теплообменник, где образуется перегретый пар, который направляется к турбине [Бекман Г., Гилли П. Тепловые аккумулированные энергии. - М.: Мир, 1987, с. 240, рис. 7.29].

Недостатком данной станции является то, что она не может работать как сезонный аккумулятор, кроме того, данный тип аккумулятора требует большого количества масла в качестве теплоносителя.

Наиболее близким техническим решением является тепловой аккумулятор, содержащий резервуар, заполненный вразброс твердой аккумулирующей средой, в качестве которой могут быть выбраны каменные породы, негорючие твердые отходы, вскрышные породы горнодобывающей промышленности, а также теплообменник, подключенный зарядной стороной к источнику солнечной энергии, а разрядной стороной - к паросиловой части солнечной электростанции, и теплоноситель, отличающийся тем, что разрядная сторона теплообменника образована дополнительно размещенным в упомянутой аккумулирующей среде нагревателем, заполненным упомянутым теплоносителем, а в качестве резервуара использована полость в грунте [Патент РФ №2027119 F24H 7/00, Опубликовано: 20.01.1995].

Плюсы такого теплового аккумулятора: низкая стоимость и общедоступность аккумулирующего вещества, высокая температура теплоносителя, возможность создавать недорогие ТА большого объема (большой энергоемкости) за малый срок.

Недостатком данного вида теплового аккумулятора являются: долгое время зарядки, препятствующее съему энергии с частично заряженного аккумулятора; отсутствие гидро- и теплоизоляции может привести к значительным тепловым потерям на нагрев окружающего грунта, испарение почвенных вод, радиационное излучение (ИК-спектр).

В результате рассмотрения вышеуказанных конструкций аккумуляторов тепловой энергии следует вывод, что наиболее перспективным путем создания высокоэффективных и дешевых ТА является: увеличение количества теплоаккумулирующего вещества, применение широко распространенного и дешевого теплоаккумулирующего вещества, улучшение теплообмена с зарядным и разрядным контурами теплоносителя, минимизация тепловых потерь, что достижимо при качественной тепло- и гидроизоляции и минимальной поверхности стенок ТА.

С целью снижения стоимости аккумулятора тепловой энергии и повышения надежности и безопасности, в качестве корпуса ТА предложено использовать резервуар (котлован), созданный (вырытый) в грунте рядом с потребителем тепловой энергии, а в качестве теплоаккумулирующего вещества предложено использование грунта, вынутого из котлована. С целью снижения тепловых потерь стенки вырытого котлована покрываются слоем теплоизоляции и гидроизоляции. Для улучшения теплообмена теплоаккумулирующего вещества с потребителем тепловой энергии, в объеме теплоаккумулирующего вещества, предложено создать систему трубопроводов с теплоносителем, включающую в себя зарядный и разрядный теплообменники (контуры). Первый теплообменник предназначен для прохождения хладагента от источника тепла (холода), в то время как через второй теплообменник протекает теплоноситель потребителей и производится отбор тепла (холода). Первый и второй теплообменники размещены с возможностью эффективного теплообмена с энергоаккумулирующим материалом. Для предотвращения потерь тепла (холода) тепловой аккумулятор снабжен многослойной теплоизоляцией, включающей в себя гидроизоляцию, слой (слои) из материала с низкой теплопроводностью и слой (слои) из материала с высокой отражающей тепловое излучение способностью.

Предлагаемое изобретение решает задачи создания более высокоэффективных, дешевых и энергоемких аккумуляторов тепловой энергии простым и технологичным способом.

Техническим результатом изобретения является создание более совершенных аккумуляторов тепловой энергии с увеличенной надежностью, эффективностью и энергоемкостью, низкими тепловыми потерями простым и технологичным способом.

Технический эффект изобретения заключается в снижении потерь тепловой энергии (что наиболее ощутимо при длительном периоде ее хранения), простоте и технологичности изготовления, применении широко распространенных материалов, простоте размещения практически на любой территории, высокой надежности и безопасности при эксплуатации (сравнительно (с ВФП) низкие температуры теплоносителя, малое количество и рабочее давление теплоносителя).

Изобретение проиллюстрировано чертежом, где на фиг. 1 показана конструкция аккумулятора тепловой энергии.

Аккумулятор тепловой энергии состоит из резервуара 1, в качестве которого используют естественные или искусственные полости в грунте 2 (котлованы, заброшенные карьеры, овраги и т.д.). Резервуар 1 оснащен тепло- и гидроизоляцией 3. В резервуаре 1 установлены теплообменники 4 и 5, выполненные, например, в виде спиральных трубопроводов, заполненных жидким незамерзающим теплоносителем, желательно с высокой температурой кипения (например, антифриз, минеральное или синтетическое масло). Резервуар 1 заполнен твердым аккумулирующим материалом 6, в качестве которого используют грунт, песок, гранитный, базальтовый, туфовый и другие отходы камнедобывающей и обрабатывающей промышленности, битый кирпич, битое стекло и любые другие негорючие отходы промышленности, вскрышные породы горнодобывающей промышленности. Резервуар 1 заполнен твердым аккумулирующим материалом 6 и секциями теплообменников 4 и 5, послойно. Слои (уровни) теплового аккумулятора разделены теплоизолирующими перегородками 7. Стенки резервуара 1 и теплоизолирующие перегородки 7 выполнены из материала с хорошими гидро- и теплоизоляционными свойствами (например, твердый пенополиуретан). Теплообменник 4 подключен к источнику тепла (холода): к солнечным коллекторам, котлам на твердом или жидком топливе, воздушным теплообменникам и т.д.). Теплообменник 5 подключен к потребителю тепла (холода): к системам теплоснабжения зданий, горячего водоснабжения либо к холодильным камерам, фанкойлам системы кондиционирования помещений и т.д. при использовании энергоаккумулятора в качестве аккумулятора холода.

Плюсы такого теплового аккумулятора: низкая стоимость и общедоступность аккумулирующего вещества, высокая температура теплоносителя, низкие тепловые потери, возможность создавать недорогие ТА большого объема (большой энергоемкости) за малый срок. Отбор тепловой энергии с максимальной температурой (не менее 90% от температуры теплоносителя на входе в тепловой аккумулятор) посредством разрядного теплообменника можно осуществлять в любой момент, даже при частично нагретом тепловом аккумуляторе.

При разделении ТА слоями теплоизоляции (не показаны) на теплоаккумулирующие секции, обеспеченные своими зарядным и разрядным контурами, подключенными через регулирующие вентили (не показаны) к общим зарядным и разрядным коллекторам (не показаны) соответственно, можно отключать эти секции от ТА. Этим можно значительно уменьшить тепловые потери при малой зарядке ТА или использовать ТА для одновременного хранения и тепла, и холода.

Один из примеров изготовления ТА по предлагаемой заявке, который объясняет, но не ограничивает других способов.

В грунте с помощью землеройной техники формируется котлован, который затем гидро- и теплоизолируется путем напыления твердого пенополиуретана или обкладкой плитами иной гидро- и теплоизоляции. Затем на дно резервуара укладывается или иная часть грунта секции, спирально укладываются контуры зарядного и разрядного теплообменников, производится засыпка оставшейся части грунта секции ТА, трамбовка. Затем поверх грунта секции ТА наносится теплоизоляционная перегородка. В том же порядке происходит процесс изготовления остальных секций ТА. ТА закрывается слоем грунта.

Таким образом, для изготовления ТА потребуется только землеройная техника, трубы теплообменников, теплоизоляция. Теплоаккумулирующее вещество (грунт) будет использовано имеющееся в наличии. Поверх ТА возможно построить тепличное хозяйство, или по- иному использовать земельную площадь, которая не будет выведена из оборота.

Работа аккумулятора тепловой энергии показана на примере отопления здания (Фиг. 2).

Аккумулятор тепловой энергии работает следующим образом.

Теплоноситель с высокой температурой от любого источника тепловой энергии (например, солнечных коллекторов 8 любого типа (плоскими, вакуумно-трубчатыми, параболическими концентраторами)) пропускается через теплообменник 4 контура зарядки, тепло передается в аккумулирующий материал 6, нагревая его. Теплоноситель, проходя по разрядному контуру трубопровода 5, нагревается и отдает энергию на нагрев радиаторов отопления зданий 9 и на нагрев воды в водонагревателе 10. Циркуляция теплоносителя осуществляется принудительно циркуляционными насосами 11.

В районах с высоким дневным поступлением суммарной солнечной радиации, за весенне-летне-осенний сезоны можно создавать аккумуляторы тепловой энергии со значительным объемом теплоаккумулирующего вещества, что обеспечит аккумуляцию тепловой энергии, достаточную для теплоснабжения зданий в зимний период.

В течение сезона температура аккумулирующего материала может достичь 95-150°C, причем тепловая энергия от теплообменного трубопровода 4 передается в первую очередь верхним слоям резервуара 1 посредством теплопроводности аккумулирующего материала 6. Отбор тепловой энергии посредством разрядного теплообменника 5 можно осуществлять в любой момент, даже при частично нагретом тепловом аккумуляторе.

При энергозатратах на отопление здания в отопительный период (100 суток) тепловой мощности 5 кВт (120 кВт⋅ч в сутки или 43,2 ГДж в отопительный период), потребный объем теплового аккумулятора с теплоаккумулирующим веществом - земля (теплоемкость, 2 МДж/м3⋅К), работающего в интервале температур 90-30°C, составит 350 м3. Расчеты показывают, что для нагрева сезонного аккумулятора объемом 3503 за 100 солнечных дней (мощность солнечной радиации 1 кВт/м2, световой день 10 часов) требуются солнечные коллекторы (КПД солнечных коллекторов 75%) общей площадью 40 м2.

Таким образом, тепловой аккумулятор позволяет накопить тепловую энергию в течение летнего периода (весна-лето-осень), т.е. в дни с высокой солнечной радиацией, и ее эффективно использовать в течение зимнего сезона.

Сравнение предлагаемого ТА с известными показывает, что использование предлагаемого изобретения позволяет:

1. Снизить потери тепловой энергии, снизить стоимость ТА, повысить его надежность.

2. Заряжать ТА и одновременно производить теплоснабжение потребителей.

Похожие патенты RU2626922C2

название год авторы номер документа
Аккумулятор тепловой энергии с регулируемой теплоотдачей при постоянной температуре 2018
  • Барцев Сергей Игоревич
  • Охонин Виктор Александрович
  • Подлесный Валерий Михайлович
  • Федоров Александр Семенович
RU2696183C1
ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР ЭНЕРГИИ 1992
  • Айрапетян Симон Апресович
  • Закарян Гегам Ашотович
RU2027119C1
Мини-ТЭЦ, работающая на возобновляемых источниках энергии 2016
  • Ясаков Николай Васильевич
RU2643877C2
Способ создания аккумулятора тепла 2021
  • Аракелян Александр Владимирович
  • Горбунов Кирилл Сергеевич
  • Ларин Александр Петрович
  • Смоленцев Александр Алексеевич
  • Терентьев Игорь Петрович
RU2774728C1
КОМПЛЕКС АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЯ 2014
  • Шпади Андрей Леонидович
  • Диков Александр Сергеевич
RU2569403C1
АККУМУЛЯТОР ТЕПЛА 2010
  • Наумов Александр Лаврентьевич
  • Серов Сергей Федорович
  • Ефремов Владимир Владимирович
  • Дегтярев Николай Сергеевич
RU2436020C1
Теплоаккумулирующий модуль-теплообменник 2022
  • Назиров Рашит Анварович
  • Тахтобин Анатолий Владимирович
RU2791245C1
СИСТЕМА ОБОГРЕВА ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ 2007
  • Холинов Алексей Игоревич
  • Харихин Александр Викторович
RU2347032C2
ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ И ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР НА ЕГО ОСНОВЕ 1993
  • Булычев Владимир Викторович
  • Емельянов Евгений Стефанович
  • Загрязкин Валерий Николаевич
  • Маковецкий Александр Викторович
  • Степанов Виктор Сергеевич
RU2088857C1
Система солнечного теплоснабжения 1983
  • Валюжинич Александр Александрович
  • Гордеев Юрий Александрович
  • Рыбин Игорь Васильевич
SU1137285A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 626 922 C2

Реферат патента 2017 года АККУМУЛЯТОР ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Изобретение относится к хранению тепловой энергии и может быть использовано в устройствах для аккумулирования тепла или холода, используемых для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования, получения электроэнергии. Аккумулятор тепловой энергии содержит резервуар, являющийся полостью в грунте, заполненный твердой аккумулирующей средой, в качестве которой могут быть выбраны грунт, песок, каменные породы, негорючие твердые отходы, вскрышные породы горнодобывающей промышленности, а также зарядный и разрядный теплообменники с теплоносителем, подключенные к источнику и потребителю тепловой энергии соответственно. Резервуар имеет тепловую и гидравлическую изоляцию от внешней среды, внутренний объем резервуара разделен горизонтальными гидро- и теплоизолирующими перегородками на отдельные секции, каждая из которых имеет свой участок зарядного и разрядного контура с теплоносителем, причем разрядные и зарядные контуры каждой гидро- и теплоизолированной секции соединены в разрядный и зарядный коллекторы. Технический результат - аккумулятор холода или тепла характеризуется большой тепловой мощностью, коротким временем зарядки, малыми потерями тепла, а также простотой и технологичностью изготовления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения RU 2 626 922 C2

1. Аккумулятор тепловой энергии, содержащий резервуар, являющийся полостью в грунте, заполненный твердой аккумулирующей средой, в качестве которой могут быть выбраны грунт, песок, каменные породы, негорючие твердые отходы, вскрышные породы горнодобывающей промышленности, а также зарядный и разрядный теплообменники с теплоносителем, подключенные к источнику и потребителю тепловой энергии соответственно, отличающийся тем, что резервуар имеет тепловую и гидравлическую изоляцию от внешней среды, внутренний объем резервуара разделен горизонтальными гидро- и теплоизолирующими перегородками на отдельные секции, каждая из которых имеет свой участок зарядного и разрядного контура с теплоносителем, причем разрядные и зарядные контуры каждой гидро- и теплоизолированной секции соединены в разрядный и зарядный коллекторы.

2. Аккумулятор по п. 1, отличающийся тем, что тепловая и гидравлическая изоляция резервуара от внешней среды изготовлена из твердого пенополиуретана.

3. Аккумулятор по п. 2, отличающийся тем, что твердый пенополиуретан дополнительно содержит наполнители, обеспечивающие его повышенную прочность, твердость, тепловую и радиационную изоляцию.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2626922C2

ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР ЭНЕРГИИ 1992
  • Айрапетян Симон Апресович
  • Закарян Гегам Ашотович
RU2027119C1
Вращающееся здание 1979
  • Селиванов Николай Павлович
  • Судаков Василий Васильевич
  • Баланюк Антонина Александровна
  • Мелуа Аркадий Иванович
  • Селиванов Вадим Николаевич
SU962493A1
WO 2011058383 A2, 19.05.2011
Строительная панель 1977
  • Чаадаев Владимир Константинович
  • Суровова Любовь Васильевна
SU699136A1
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 1997
  • Генералов Б.В.
  • Сурнин В.М.
  • Куликов Ю.А.
  • Крифукс О.В.
RU2125142C1

RU 2 626 922 C2

Авторы

Максименко Александр Александрович

Максименко Владимир Александрович

Даты

2017-08-02Публикация

2015-07-22Подача