Термоаккумуляционное устройство Российский патент 2025 года по МПК F28D20/02 F24H7/00 

Настоящее изобретение относится к теплообменным аппаратам для хранения тепла или холода и может быть использовано для получения тепловой, электрической и механической энергии.

Известен ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР ЭНЕРГИИ [RU 2027119 C1, опубл. 20.01.1995], 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. Недостатком данного вида теплового аккумулятора являются отсутствие теплоизоляции, что приводит к значительным тепловым потерям на нагрев окружающего грунта.

Известен АККУМУЛЯТОР ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ [RU 2626922 C2, опубл. 02.08.2017] состоящий из резервуара (котлован), созданный (вырытый) в грунте рядом с потребителем тепловой энергии, в качестве теплоаккумулирующего вещества предложено использование грунта, вынутого из котлована, стенки вырытого котлована покрываются слоем теплоизоляции и гидроизоляции, систему трубопроводов с теплоносителем, включающую в себя зарядный и разрядный теплообменники (контуры), 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. Недостатком аналога является неоднородность используемого грунта что снижает теплоёмкость аккумулятора, кроме того, внешние погодные условия, такие как заморозки и дождь усиливают разность температур грунта и теплообменников что способствует теплопотерям аккумулятора, кроме того, в данном изобретении отсутствует возможность принимать тепло или холод от различных источников, а также применять теплоноситель с динамическими показателями теплоизоляции.

Технической проблемой, решаемой заявленным изобретением, является устранение недостатков аналогов.

Задача изобретения снизить теплопотери термоаккумуляционного устройства в окружающую среду и увеличения теплоотдачи аккумулированного тепла рабочему носителю тепловой энергии путем увеличения площади съема тепла.

Технический результат заявленного изобретения заключается в снижении теплопотерь термоаккумуляционного устройства в окружающую среду и усилении теплообмена между аккумулированным теплом или холодом и рабочим носителем тепловой энергии путем увеличения площади съема тепла или холода.

Указанный технический результат достигается тем, что термоаккумуляционное устройство содержит закрытую ёмкость, заполненную аккумулирующим материалом, расположенные в объеме аккумулирующего материала внутри закрытой емкости теплообменник, выполненный с возможностью пропускать теплоноситель от внешних источников, и устройство отбора тепла, отличающееся тем, что закрытая ёмкость выполнена с минимум двумя стенками и клапаном, выполненным с возможностью создания вакуума между стенками или заполнения пространства между стенками теплоносителем, при этом аккумулирующий материал имеет теплоёмкость от 700 до 4500 Дж/(кг⋅°С), теплообменник содержит резервуар, конвектор, трубы верхнего ряда и трубы нижнего ряда, смонтированные между резервуаром и конвектором, при этом трубы верхнего ряда смонтированы под углом от 15 до 60 градусов по отношению к основанию емкости и содержат как минимум одну теплообменную пластину, трубы нижнего ряда смонтированы под углом от 5 до 10 градусов по отношению к основанию закрытой емкости, резервуар, а также трубы верхнего ряда и трубы нижнего ряда выполнены из материала с теплопроводностью от 70 до 200 Вт/(м⋅°С), а конвектор смонтирован в пространстве между стенками и выполнен с коническими полостями с возможностью использования тепловой энергии от внешнего источника.

В частности, конвектор выполнен с возможностью принимать сконцентрированное солнечное излучение.

В частности, конвектор выполнен с возможностью принимать электрическую энергию.

В частности, конвектор выполнен с возможностью монтирования электрических нагревателей.

Предложенное изобретение иллюстрируется фигурами:

На фиг. 1 изображено термоаккумуляционное устройство, вид спереди.

На фиг. 2 изображен теплообменник, общий вид.

На фиг. 3 изображено расположение теплообменной пластины, вид А.

На фигурах обозначено: 1 - закрытая ёмкость, 2 - крышка, 3 - опорный блок, 4 - аккумулирующий материал, 5 - теплообменник, 6 - клапан, 7 - вентиль, 8 - расширительный бачок, 9 - устройство отбора тепла или холода, 10 - стенка, 11 - конвектор, 12 - конические полости, 13 - резервуар, 14 - трубы верхнего ряда, 15 - трубы нижнего ряда, 16 - основание, 17 - теплообменная пластина, 18 - вакуум.

Термоаккумуляционное устройство содержит закрытую ёмкость 1. Закрытая ёмкость 1 содержит как минимум две стенки 10. Закрытая ёмкость 1 заполнена аккумулирующим материалом 4. Закрытая ёмкость 1 изготовлена из материала с хорошей теплоустойчивостью и прочностью, таким образом закрытая ёмкость 1 выдерживает внутреннее давление при нагреве и охлаждении. Как минимум две стенки 10 закрытой ёмкости 1 создают зазор, который служит отличным изолятором, предотвращая передачу тепла между внутренней и внешней средой. Двойные стенки 10 могут повышать прочность закрытой ёмкости 1 за счет распределения нагрузки между двумя слоями стенок 10. В случае повреждения одной стенки 10, вторая стенка 10 служит дополнительным барьером, что может предотвратить утечку содержимого. Двойные стенки 10 предотвращают образование конденсата на внешней поверхности закрытой ёмкости 1, таким образом наличие двойных стенок 10 обеспечивает снижение теплопотерь в окружающую среду. Герметичная крышка 2 предотвращает потерю тепла через конвекцию и излучение. Это особенно важно для поддержания высокой температуры внутри закрытой ёмкости 1, что необходимо для эффективного хранения тепловой энергии. Герметичное закрытие исключает контакт содержимого закрытой ёмкости 1 со внешней средой, которые могут негативно повлиять на свойства аккумулирующего материала. В процессе нагревания и охлаждения материала внутри закрытой ёмкости 1 может происходить изменение давления. Герметичная крышка 2 позволяет контролировать это давление, что важно для безопасности и стабильности системы. Герметичное закрытие крышки 2 обеспечивает защиту от случайного выхода горячего материала или паров. Герметичное закрытие крышки 2 закрытой ёмкости 1 увеличивает теплоизоляционные свойства устройства, что делает систему более энергоэффективной. Пространство между двойными стенками 10 закрытой ёмкости 1 содержит технический вакуум 18. Технический вакуум 18 - это состояние, при котором давление газа внутри закрытого пространства ниже атмосферного, но выше, чем у высокого или ультравысокого вакуума 18. В техническом вакууме 18 давление обычно находится в диапазоне от 10³ до 10^-3 миллибар. Технический вакуум 18 часто используется в промышленности и научных исследованиях, где абсолютное отсутствие газов не требуется, но необходимо снижение их концентрации для определённых процессов. Наличие технического вакуума 18 между стенками 10 закрытой ёмкости 1 способствует уменьшению конвекции, в условиях вакуума 18 отсутствует носитель (газ), который мог бы переносить тепло путём конвекции. Это означает, что тепло не может эффективно передаваться от горячей стенки 10 закрытой ёмкости 1 к холодной через газовую среду. Кроме того, наличие технического вакуума 18 снижает теплопотери, так как газы при нормальном давлении являются проводниками тепла благодаря столкновениям между молекулами. В вакууме 18 количество молекул снижается, что приводит к уменьшению столкновений и, как следствие, к снижению теплопроводности. Вакуум 18 между стенками 10 закрытой ёмкости 1 предотвращает проникновение влаги и других загрязнителей, которые могут увеличивать теплопроводность и способствовать коррозии. Использование технического вакуума 18 в двойных стенках 10 закрытой ёмкости 1 - это эффективный способ улучшения теплоизоляционных свойств и повышения энергоэффективности системы за счет снижения теплопотерь в окружающую среду. Между стенками 10 закрытой ёмкости 1 установлены опорные блоки 3. Опорные блоки 3 предотвращают сближение внутренней и внешней стенок 10 под действием атмосферного давления, особенно в условиях технического вакуума 18, когда давление внутри пространства значительно ниже внешнего атмосферного давления. При изменении температуры материалы стенок 10 закрытой ёмкости 1 могут расширяться или сжиматься. Опорные блоки 3 помогают контролировать это расширение и предотвращают деформацию стенок 10, кроме того, опорные блоки 3 равномерно распределяют внешнее давление по всей площади стенок 10, что предотвращает локальные напряжения и потенциальные повреждения. Таким образом наличие опорных блоков 3 обеспечивает работоспособность закрытой ёмкости 1, что увеличивает срок службы термоаккумуляционного устройства и в совокупности с описанными выше признаками обеспечивает снижение теплопотерь термоаккумуляционного устройства в окружающую среду.

Клапан 6 позволяет поддерживать и регулировать уровень технического вакуума 18 между стенками 10 закрытой ёмкости 1, что критически важно для эффективности теплоизоляции. Также вакуумный клапан 6 предотвращает попадание газов в вакуумное пространство, что может снизить изоляционные свойства системы, а также помогает контролировать давление между двойными стенками 10 закрытой ёмкости 1, предотвращая возможные повреждения из-за атмосферного давления. В случае утечки или другого сбоя, клапан 6 обеспечивает контролируемое восстановление давления, что предотвращает риски для оборудования и персонала. Поддержание оптимального вакуума 18 увеличивает срок службы изоляционного материала и устройства Правильное поддержание вакуума 18 с помощью клапана 6 способствует снижению теплопередачи и уменьшению теплопотерь в окружающую среду. При необходимости вакуум 18 может быть удален из межстеночного пространства закрытой ёмкости 1 и заменён на жидкий теплоноситель. Через клапан 6 вводится жидкий теплоноситель, например, силиконовое масло. В случае использования в качестве нагревательных элементов конических полостей следует учитывать, что после нагрева и дальнейшего испарения жидкий теплоноситель может оставаться в виде пленки на конических полостях. Для возврата к вакууму 18, жидкость должна быть удалена. Это делается через тот же клапан 6, который открывается, и жидкость выкачивается с помощью насоса, смонтированного через клапан 6 трубы на дно закрытой ёмкости 1. Для таких случаев дно закрытой ёмкости 1, изготавливают наклонной под углом 1-3 градуса для того, чтобы жидкий теплоноситель стекал и скапливался к тому месту, где установлена труба для откачки. После удаления жидкости, клапан 6 через вакуумный насос снова создаёт вакуум 18 в пространстве между стенками 10 закрытой ёмкости 1. Клапан 6 закрывается, и система возвращается к исходному состоянию с техническим вакуумом 18. Преимущества использования жидкого теплоносителя включают в себя более легкую укладку и формовку, что делает ее идеальным выбором для труднодоступных мест или сложных форм. Кроме того, жидкий теплоноситель может обеспечить более эффективную теплопроводность при высоких температурах или в условиях высокого давления. С другой стороны, вакуумная теплоизоляция обладает отличной теплоизоляционной способностью за счет отсутствия газов между стенками закрытой емкости 1, что уменьшает теплопроводность. Она может быть применена в случаях, когда требуется минимизировать теплопотери и обеспечить высокую энергоэффективность. Возможность выбора в закрытой емкости 1 создания вакуума или заполнения жидким теплоносителем позволит улучшить выбор необходимой теплоизоляции, а также повысить устойчивость к различным внешним воздействиям. Применение такой технологии позволяет поддерживать оптимальные условия внутри закрытой ёмкости 1, защищая содержимое от внешних температурных воздействий. Это особенно актуально для хранения чувствительных к температуре материалов или веществ, требующих особых условий хранения.

Закрытая ёмкость 1 содержит аккумулирующий материал 4 заполняющий с учетом возможного объемного расширения при нагреве весь её объём при этом аккумулирующий материал 4 выполнен с теплоёмкостью от 700 до 4500 Дж/(кг⋅°С). Теплоёмкость - это мера количества тепловой энергии, которую материал может накопить при повышении температуры на один градус Цельсия. Теплопроводность, с другой стороны, описывает способность материала передавать тепловую энергию от более горячей части к более холодной. Высокая теплопроводность означает, что тепло может быстро распространяться через материал, обеспечивая равномерное распределение температуры. Проблема с материалами с теплоёмкостью более 4500 Дж/(кг⋅°С) заключается в том, что они часто имеют низкую теплопроводность. Это означает, что хотя они могут накапливать большое количество тепла, они не так эффективно передают это тепло на протяжении своего объёма. В результате, тепло, которое поглощается в одной части материала, не может быстро распространяться к другим его частям, что приводит к неоднородному распределению температуры. Это неоднородное распределение температуры может создавать градиенты температуры внутри материала, что особенно проблематично в больших закрытых ёмкостях 1, где центральные области могут оставаться гораздо более горячими или холодными, чем периферийные. В системах, где требуется быстрая и равномерная отдача тепла, такое распределение может существенно снижать эффективность. Для понимания причин низкой теплопроводности материалов с высокой теплоёмкостью необходимо рассмотреть микроскопические механизмы передачи тепла. Теплопроводность в твёрдых телах осуществляется за счёт фононов - квазичастиц, представляющих собой колебания кристаллической решётки. В материалах с высокой теплоёмкостью эти колебания могут быть более затухающими из-за сложной структуры решётки или наличия различных дефектов, что замедляет передачу тепла. Кроме того, вещества с теплоёмкостью более 4500 Дж/(кг⋅°С) могут иметь большое количество свободных электронов, которые способствуют накоплению тепла, но не обязательно участвуют в его передаче. Это особенно характерно для полимерных материалов и некоторых видов керамики и керамической крошки. Материалы с теплоёмкостью меньше 700 Дж/(кг⋅°С) будут хранить меньше энергии при том же изменении температуры, что делает их менее подходящими для эффективного аккумулирования тепла, и чтобы достичь той же энергоёмкости, что и у материалов с более высокой теплоёмкостью, потребуется использовать больший объём материала с низкой теплоёмкостью, что может быть нецелесообразно с точки зрения пространства и стоимости. Также материалы с низкой теплоёмкостью будут остывать быстрее, так как они не способны удерживать большое количество тепла. Это может привести к более частому включению системы подогрева для поддержания оптимальной температуры, что увеличивает энергопотребление. В системах, где требуется длительное хранение тепловой энергии, использование материалов с низкой теплоёмкостью может снизить общую эффективность, так как потребуется больше энергии для поддержания температуры на требуемом уровне. Таким образом использование материалов с теплоёмкостью в диапазоне от 700 до 4500 Дж/(кг⋅°С) повышает энергоэффективность и снижает тепловые потери за счет высокой теплопроводности и высокой теплоёмкости, что ускоряет процесс передачи тепла и приводит к эффективному распределению температуры внутри закрытой ёмкости 1, что в свою очередь ускоряет теплообмен между аккумулированным теплом или холодом и рабочим носителем тепловой энергии.

Закрытая ёмкость 1 содержит теплообменник 5 включающий конвектор 11, смонтированный между стенок 10 закрытой ёмкости 1 с коническими полостями 12, резервуар 13, трубы верхнего ряда 14 и трубы нижнего ряда 15, смонтированных между ними. теплообменник 5 выполнен с возможностью пропускать теплоноситель от внешних источников, а также принимать электрическую энергию и сконцентрированное солнечное излучение. В случае использования теплообменником 5 одного типа энергии, например сконцентрированного солнечного излучения, солнечное излучение поступает на конвектор 11 с коническими отверстиями 12, смонтированного к трубам верхнего ряда 14 и трубам нижнего ряда 15 разъемным соединением, например винтовым, выполненный из материала с высокой теплопроводностью и расположен в пространстве технического вакуума 18 для минимизации конвективных тепловых потерь. Сконцентрированное солнечное излучение через крышку 2 направляется в конические полости 12 конвектора 11. Под воздействием солнечного излучения конвектор 11 нагревается до высоких температур, что приводит к передаче тепла теплоносителю в конвекторе 11. Конические полости 12 способствуют более равномерному распределению солнечного излучения на теплоноситель, протекающий через конвектор 11. Это увеличивает интенсивность передачи энергии на единицу площади, что усиливает процесс теплопередачи. Таким образом, коническая форма полостей 12 обеспечивает более эффективное и равномерное распределение солнечной энергии по сравнению с тем, что она падала бы на плоскую и гладкую поверхность конвектора, что делает ее идеальной для передачи энергии от солнечного излучения теплоносителю. Трубы верхнего ряда 14 и нижнего ряда 15 эффективно передают тепло непосредственно в объём аккумулирующего материала 4, обеспечивая его равномерный нагрев. Двухрядная система труб, по которым циркулирует теплоноситель, представляет собой эффективное решение для ускорения теплообмена между аккумулированным теплом и рабочим носителем тепловой энергии. Наличие двух рядов труб значительно увеличивает площадь контакта теплоносителя с аккумулирующим материалом 4. Это способствует более эффективному и быстрому отводу тепла в аккумулирующий материал 4 от теплоносителя. Два ряда труб позволяют организовать более эффективную циркуляцию теплоносителя. Трубы верхнего ряда 14 могут быть оптимизированы для отвода тепла от конвектора в аккумулирующий материал 4, в то время как трубы нижнего ряда 15 могут быть оптимизированы для подвода охлажденного теплоносителя в конвектор Система с двумя рядами труб позволяет разделить поток теплоносителя на два направления, что улучшает тепловую стабильность системы и предотвращает локальное перегревание. В отличие от традиционного змеевика, где теплоноситель движется по спиральному пути, двухрядная система труб обеспечивает более прямой и короткий путь для теплоносителя. Это уменьшает гидравлическое сопротивление и увеличивает скорость циркуляции, что способствует более быстрому теплообмену. Двухрядная система труб позволяет более точно контролировать температурные параметры теплоносителя, что важно для поддержания оптимальных условий теплообмена и минимизации тепловых потерь. Такая система может быть более экономичной в плане использования материалов и пространства, так как позволяет достичь необходимой эффективности теплообмена при меньшем количестве труб.

Трубы верхнего ряда 14 содержат как минимум одну теплообменную пластину 17. Теплообменная пластина 17 при необходимости может быть смонтирована к трубам верхнего ряда 14 вертикально или под углом к основанию ёмкости 1, например, первая теплообменная пластина 17 монтируется вертикально, а последующие, при необходимости также монтируются радом с ней, но с некоторым отклонением по вертикали. Величина отклонения зависит от размера минимальных размеров фракций применяемого аккумулирующего материала 4, а также расстояния до теплообменных пластин 17, монтируемых на соседних трубах верхнего ряда 14. При размещении аккумулирующего материала 4 между теплообменными пластинами 17 не должно образовываться полых пространств, снижающих показатели теплообмена, а также влияющих на чрезмерный перегрев используемых материалов которое может привести к потере требуемых от них физических характеристик. Аналогичными теплообменными пластинами 17 для увеличения теплоотдачи, дополнительно могут быть оснащены резервуар 13 и трубы нижнего ряда 15. Трубы верхнего ряда 14 отдает тепло как в объем аккумулирующего материала 4, так и вертикально ориентированным пластинам 17, которые, в свою очередь, увеличивают эффективность теплоотдачи за счет увеличения площади контакта с аккумулирующим материалом 4. Вертикально ориентированное расположение теплообменных пластин 17 способствует естественной конвекции, так как теплый поток поднимается вверх, а холодный опускается вниз. Это создает естественный тепловой поток, который обеспечивает более эффективный обмен теплом между теплообменными пластинами 17 и окружающей средой. Вертикально ориентированные теплообменные пластины 17 обеспечивают более равномерное распределение тепла по всему объему аккумулирующего материла 4. Теплообменные пластины 17 ориентированные горизонтально могли бы создать "горячие точки", так как тепло скапливается в верхней части теплообменной пластины 17 и не распространяется эффективно. Вертикально ориентированные теплообменные пластины 17 уменьшают тепловое сопротивление, так как тепло передается в объем аккумулирующего материала 4 напрямую без препятствий, в отличие от теплообменных пластин 17 ориентированных горизонтально, которые могут блокировать тепловой поток. Вертикально ориентированные теплообменные пластины 17 обладают большей механической прочностью и устойчивостью к деформации под воздействием температуры, так как тепловое расширение происходит в направлении, не вызывающем изгиба теплообменных пластин 17, и позволяет теплообменным пластинам 17 свободно расширяться вверх при нагревании, что снижает механические напряжения и предотвращает деформацию. Теплообменные пластины 17, смонтированные к зениту свода верхнего ряда труб 14, обеспечивают большую площадь контакта с аккумулирующим материалом 4, что способствует более эффективному распределению тепла. Такое расположение позволяет теплу равномерно распространяться в объеме аккумулирующего материала 4, улучшая теплообмен и предотвращая локальные перегревы. Расположение теплообменных пластин 17, смонтированных к зениту свода верхнего ряда труб 14, создает условия для естественной конвекции, когда теплый поток поднимается вверх, улучшая циркуляцию тепла. Кроме того, теплообменные пластины 17, расположенные ближе к центру слоя аккумулирующего материала 4, минимизируют тепловые потери, так как тепло передается внутрь аккумулирующего материала 4, а не теряется на нагрев внутренних стенок 10 закрытой ёмкости 1. Теплообменные пластины 17, установленные к зениту свода верхнего ряда труб 14, испытывают меньшее механическое напряжение из-за равномерного распределения веса и теплового расширения. Параллельное расположение теплообменных пластин 17 способствует созданию узких вертикальных каналов, которые усиливают естественную конвекцию. Теплый поток поднимается вверх, образуя непрерывный поток, который эффективно отводит тепло от теплообменных пластин 17. Кроме того, параллельное расположение позволяет теплу равномерно распределяться по всей длине теплообменных пластин 17, предотвращая локальное перегревание и обеспечивая стабильную температуру по всей поверхности. Параллельные теплообменные пластины 17 максимизируют тепловое излучение в окружающее пространство, так как большая площадь поверхности теплообменных пластин 17 обращена к пространству, что увеличивает теплоотдачу. Параллельное расположение теплообменных пластин 17 позволяет более эффективно использовать пространство, особенно в условиях ограниченного объема, так как теплообменные пластины 17 занимают меньше места в горизонтальной плоскости. Параллельное расположение теплообменных пластин 17 оптимизирует газовый поток вокруг них, уменьшая турбулентность и улучшая теплоотдачу. Вертикальные каналы между теплообменными пластинами 17 уменьшая турбулентность газового потока способствуют более эффективному удержанию тепла внутри системы. Теплообменные пластины 17, расположенные параллельно, образуют "экран", который снижает радиационные потери тепла. Тепловое излучение от верхнего ряда труб 14 частично поглощается и отражается обратно внутрь системы соседними теплообменными пластинами 17. В совокупности эти факторы обеспечивают более эффективное удержание тепла внутри аккумулирующего материала 4 и минимизацию теплопотерь в окружающую среду, что важно для повышения эффективности и экономии энергии в теплогенерирующих системах.

Теплообменник 5, использующий тепловую энергию от внешнего источника, подключен к трубопроводу проходящий через стенки 10 закрытой ёмкости 1 и смонтированному к конвектору 11 неразъёмным соединением, например сваркой, по которому поступает теплоноситель, причем точка монтирования должна находиться не на прямой линии с трубами 15, или по крайней мере между потоками должна находится перегородка, направляющая эти потоки в одно направление. В случае отсутствия тепловой энергии от внешнего источника процесс движения теплоносителя в контуре теплообменника 5 без применения циркуляционного насоса происходит в силу естественных физических законов. Основное физическое свойство любого теплоносителя, которое способствует его движению по контуру при естественной циркуляции - уменьшение плотности при увеличении температуры. Плотность горячего теплоносителя меньше, чем холодной и поэтому возникает разница в гидростатическом давлении теплого и холодного столба жидкости. Теплоноситель, проходящий по трубопроводу, к котором смонтирован расширительный бачок 8 поступает через вентиль 7 в нижнюю часть полого конвектора 11 согласно законам естественной циркуляции, поднимается наверх, перетекает в верхний ряд труб 14, где отдает тепло вертикально ориентированным пластинам 17, которые в свою очередь отдают тепло в объём аккумулирующего материала 4. Охлажденный теплоноситель перетекает в резервуар 13 и выводится из системы через выходное отверстие. Часть теплоносителя, оставшаяся в резервуаре 13, продолжает циркулировать, протекая по трубам нижнего ряда 15, попадая в конвектор 11, где теплоноситель нагревается от конвектора 11 и смешивается с теплоносителем, поступающим из внешнего источника, и поднимается к трубам верхнего ряда 14, таким образом образуя замкнутый контур внутренней циркуляции теплоносителя. Таким образом естественная циркуляция, возникающая из-за разности плотностей теплоносителя при разных температурах, создает непрерывный цикл циркуляции без необходимости использования насосов, что снижает энергопотребление и теплопотери, а применение теплоносителя из внешнего источника позволяет поддерживать оптимальную температуру системы. Комбинация естественной циркуляции и использования предварительно нагретого теплоносителя из внешнего источника ускоряет процесс теплообмена, так как теплоноситель из внешнего источника, как правило, подается в систему через изолированные трубопроводы, что минимизирует теплопотери в процессе транспортировки, кроме того, естественная циркуляция уменьшает необходимость в механическом перемешивании, что также снижает теплопотери. Система с естественной циркуляцией и внешним теплоносителем позволяет более точно регулировать температурные градиенты внутри системы. Это способствует более эффективному теплообмену и снижению вероятности локального перегрева или переохлаждения.

Трубы нижнего ряда 15 смонтированы под углом от 5 до 10 градусов по отношению к основанию 16 закрытой ёмкости 1. Угол наклона труб нижнего ряда 15 создает условия для более эффективного движения теплоносителя. При угле от 5 до 10 градусов обеспечивается оптимальное сочетание горизонтального и вертикального движения, что способствует равномерному распределению тепла. Наклон труб нижнего ряда 15 способствует формированию термосифонного эффекта, когда теплый теплоноситель естественным образом поднимается вверх, а более холодный опускается, создавая циркуляцию без использования насосов, кроме того, скорость теплообмена между аккумулирующим материалом 4 и теплоносителем увеличивается при оптимальном угле наклона труб нижнего ряда 15, так как улучшается циркуляция и равномерность распределения тепла. При угле наклона от 5 до 10 градусов минимизируются теплопотери, так как теплоноситель быстрее достигает верхних слоев, передавая тепло без значительных потерь. Если угол наклона труб нижнего ряда 15 будет меньше 5 градусов, скорость естественной циркуляции снизится. Это происходит из-за того, что при малом угле разница в высоте между горячим и холодным участками трубы нижнего ряда 15 недостаточна для создания существенной разницы в плотности теплоносителя, что замедляет конвекционные потоки. Если угол наклона превышает 10 градусов, это может привести к ускоренному движению теплоносителя, таким образом теплоноситель не будет успевать отдавать тепло аккумулирующему материалу 4. Кроме того, это может вызвать турбулентность и шум в системе, что нежелательно.

Трубы верхнего ряда 14 смонтированы под углом от 15 до 60 градусов по отношению к основанию 16 емкости 1. Трубы верхнего ряда 14 устанавливают под более крутым углом, что обусловлено необходимостью ускорить движение теплоносителя в верхней части системы. Углы в диапазоне от 15 до 60 градусов способствуют ускорению потока теплоносителя за счет увеличения разности плотностей между нагретым и охлажденным теплоносителем. Таким образом, угол в диапазоне от 15 до 60 градусов помогает быстрее отводить тепло от нагретых поверхностей, что предотвращает перегрев и повышает эффективность системы. Угол наклона менее 15 градусов в верхней части системы может привести к недостаточному ускорению циркуляции, что снизит эффективность отвода тепла и может вызвать застой теплоносителя. Угол более 60 градусов может привести к чрезмерному ускорению потока, что увеличит гидравлическое сопротивление и может вызвать турбулентность и шум в системе. Кроме того, при слишком крутом угле возрастает риск образования газовых подушек и нарушения целостности циркуляции.

Трубы нижнего ряда 15 смонтированы на расстоянии от 15 до 20 см от основания 16 закрытой ёмкости 1. Оптимальное расстояние монтажа труб нижнего ряда 15 от основания 16 закрытой ёмкости 1 в системах с естественной циркуляцией теплоносителя обусловлено несколькими факторами, связанными с эффективностью теплообмена и физическими ограничениями: слишком маленькое пространство (менее 15 см) между трубами нижнего ряда 15 и основанием 16 может препятствовать свободной циркуляции теплоносителя, что снижает эффективность теплообмена, кроме того, меньшее расстояние может способствовать увеличению тепловых потерь через основание 16 закрытой ёмкости 1. Расстояние более 20 см может привести к неоптимальному использованию объёма закрытой ёмкости 1, что особенно важно для компактных систем. Увеличение расстояния от основания 16 закрытой ёмкости 1 до труб снижает площадь контакта с аккумулирующим материалом 4, что негативно сказывается на эффективности теплообмена, так как по законам физики тепло поднимается к верху закрытой ёмкости 1, поэтому большой объём аккумулирующего материала 4 в основании 16 закрытой ёмкости 1 будет менее нагретым, что снизит эффективность системы.

Резервуар 13, а также трубы верхнего ряда 14, трубы нижнего ряда 15 и теплообменные пластины 17 выполнены из материала с теплопроводностью от 70 до 420 Вт/(м⋅°С). Материалы с низкой теплопроводностью менее 70 Вт/(м⋅°С) не способны эффективно передавать тепло теплоносителя в объём аккумулирующего материала 4, что снижает общую эффективность системы, а также будут возникать значительные температурные градиенты внутри материала, что приводит к неоднородному нагреву и потерям энергии. Материалы с теплопроводностью более 420 Вт/(м⋅°С) как правило имеют больший вес и соответственно могут сделать конструкцию тяжелой, кроме того, такие материалы слишком быстро распределяют тепло, не позволяя аккумулирующему материалу 4 достаточно нагреться для эффективного хранения энергии.

Устройство отбора тепла или холода 9 смонтировано в объеме аккумулирующего материала 4. Устройство отбора тепла или холода, находящееся внутри аккумулирующего материала 4, обеспечивает прямой контакт с большим объёмом аккумулирующего материала 4, что способствует более эффективному теплообмену. Это позволяет равномерно снимать тепло или холод со всего объёма аккумулирующего материала 4, избегая локальных перепадов температур. Устройство отбора тепла или холода, находящееся внутри аккумулирующего материала 4 обеспечивает прямой контакт с большим объемом аккумулирующего материала 4, что способствует более эффективному и равномерному теплообмену.

Устройство отбора тепла или холода 9 выполнено с возможностью преобразования тепловой энергии в электричество. Устройства, преобразующие тепловую энергию в электричество, называются термоэлектрическими генераторами. Они работают на основе эффекта Зеебека, который заключается в возникновении электрического напряжения в материале при наличии температурного градиента. На одной стороне термоэлектрического элемента создается высокая температура, а на другой - низкая. Это может быть достигнуто за счет использования аккумулирующего тепло материала, который нагревается солнцем или другим источником тепла. В результате температурного градиента через термоэлектрический материал (обычно полупроводник) возникает электрический ток. Примером таких устройств может быть радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи) и термоэлектрические модули для восстановления отработанного тепла.

Устройство отбора тепла или холода 9 выполнено с возможностью преобразования тепловой энергии в механическую энергию. Устройства, преобразующие тепловую энергию в механическую, обычно используют циклы тепловых двигателей. Один из наиболее распространенных примеров - это паровая турбина. Аккумулирующий материал 4, отдает своё тепло воде, протекающей по системе трубопроводов в объеме аккумулирующего материала 4, и нагревает воду до состояния пара с помощью источника тепла, который может быть солнечным, электрическим или полученным от сгорания топлива. Пар под высоким давлением направляется на лопатки турбины, заставляя её вращаться.

Устройство отбора тепла и или холода 9 выполнено с возможностью использования тепловой энергии. Устройства, которые снимают тепло или холод от аккумулирующего тепло материала 4 и используют эту тепловую энергию, называются тепловыми насосами. Они могут работать как для охлаждения, так и для нагрева, в зависимости от потребностей системы.

Теплообменник 5, выполнен с возможностью использования электрической энергии от внешнего источника, например от трубчатых электронагревателей, смонтированных разъёмным соединением к конвектору 11. Конвектор 11, выполненный с коническими полостями 12, обеспечивает монтаж и фиксацию трубчатых электронагревателей (тэнов). Коническая форма полостей 12 способствует улучшенной передаче тепла от тэнов к конвектору 11 и обеспечивает надежное крепление. Трубчатые электронагреватели (тэны) при подаче электрического тока нагреваются до высоких температур. Тепло от тэнов передается конвектору 11, который в свою очередь излучает его на окружающие поверхности. Верхний ряд труб 14 и нижний ряд труб 15, расположенные в непосредственной близости или в контакте с конвектором 11, получают тепло через теплопроводность и излучение. Это позволяет использовать нагретые трубы для дальнейшей передачи тепла аккумулирующему материалу 4. При необходимости теплообменник 5 может принимать энергию от различных источников одновременно, например использовать сконцентрированное солнечное излучение и принимать тепловую энергию от внешнего источника. В случае использования сконцентрированного солнечного излучения солнечное излучение поступает на конвектор 11 с коническими полостями 12, и конические полости 12 нагревают проходящий через них теплоноситель. Это позволяет использовать все доступные источники энергии, что обеспечивает большую надежность и стабильность энергоснабжения. Таким образом, можно снизить зависимость от одного источника энергии и снизить риски возможных сбоев в энергосистеме, кроме того, устройство способное принимать различные виды энергии одновременно или раздельно обладает большей эффективностью, чем устройства, принимающие только один вид энергии. Таким образом устройство раскрывает возможность смены типа энергии без тепловых потерь. Например, если солнечная энергия становится менее эффективной из-за погодных условий, устройство может использовать тепловую или электрическую энергию. Это позволяет обеспечить непрерывное аккумулирование энергии. Кроме того, такое устройство предоставляет возможность утилизировать излишки тепловой или электрической энергии с предприятий. Например, если на производстве накопилось излишнее количество тепла, это тепло можно направить на устройство для аккумулирования и последующего использования, тем самым уменьшая потери и повышая эффективность использования ресурсов.

Таким образом, закрытая ёмкость 1 с двойными стенками 10, вакуумом 18 между стенками 10 закрытой ёмкости 1, аккумулирующий материал 4, трубы верхнего ряда 14, трубы нижнего ряда 15, наличие конвектора 11 и резервуара 13 создают изолированное пространство, которое затрудняет передачу тепла от внутренней части закрытой ёмкости 1 к внешней среде, а также позволяют накапливать большое количество тепловой энергии, что улучшает эффективность хранения, кроме размещение труб верхнего ряда 14 и труб нижнего ряда 15 под определенным углом способствует естественной термосифонной циркуляции, что обеспечивает равномерное распределение тепла без необходимости использования насосов, а в совокупности все перечисленные признаки позволяют снизить теплопотери термоаккумуляционного устройства в окружающую среду и усилении теплообмена между аккумулированным теплом или холодом и рабочим носителем тепловой энергии путем увеличения площади съема тепла или холода.

Примеры реализации.

Первый пример.

Термоаккумуляционное устройство содержит закрытую ёмкость 1 с двойными стенками 10, пространство между которыми заполнено вакуумом 18, образованным путем выкачивания газов с помощью клапана 6. Закрытая ёмкость 1 содержит крышку 2 и опорные блоки 3. Закрытая ёмкость 1 заполнена аккумулирующим материалом 4 с теплоёмкостью 700 Дж/(кг⋅°С). С одной стороны закрытой ёмкости 1 в межстеночном пространстве смонтирован конвектор 11 с коническими полостями 12. В случае использования сконцентрированного солнечного излучения солнечное излучение поступает на конвектор 11 с коническими отверстиями 12 и конические полости 12 нагревают проходящий через них теплоноситель. Также конвектор 11 подключен к внешнему трубопроводу с расширительным бачком 8 и вентилем 9, через который в конвектор 11 попадает теплоноситель, где дополнительно подогревается от раскаленного конвектора 11 и поднимается вверх согласно законам физики перетекая в трубы верхнего ряда 14, смонтированные под углом 15 градусов к основанию 16 закрытой ёмкости 1, отдавая тепло в объём аккумулирующего материала 4. Охлажденный теплоноситель перетекает в резервуар 13 и выводится из системы через выходное отверстие. Часть теплоносителя, оставшаяся в резервуаре 13, продолжает циркулировать, протекая по трубам нижнего ряда 15 смонтированным под углом 5 градусов к основанию 16 закрытой ёмкости 1 и расположенных на расстоянии 15 см от основания 16 закрытой ёмкости 1, попадая в конвектор 11, где теплоноситель нагревается от конвектора 11 и смешивается с теплоносителем, поступающим из внешнего источника, и поднимается к трубам верхнего ряда 14, таким образом образуя замкнутый контур внутренней циркуляции теплоносителя. Резервуар 13, а также трубы верхнего ряда 14 и трубы нижнего ряда 15 выполнены из материала с теплопроводностью 70 Вт/(м⋅°С). При необходимости аккумулирования холода, вакуум заменяют на жидкий теплоноситель, например силиконовое масло.

Второй пример.

Термоаккумуляционное устройство содержит закрытую ёмкость 1 с двойными стенками 10, пространство между которыми заполнено вакуумом 18, образованным путем выкачивания газов с помощью клапана 6. Закрытая ёмкость 1 содержит крышку 2 и опорные блоки 3. Закрытая ёмкость 1 заполнена аккумулирующим материалом 4 с теплоёмкостью 2500 Дж/(кг⋅°С). С одной стороны закрытой ёмкости 1 в межстеночном пространстве смонтирован конвектор 11 с коническими полостями 12. В случае использования сконцентрированного солнечного излучения солнечное излучение поступает на конвектор 11 с коническими отверстиями 12 и конические полости 12 нагревают проходящий через них теплоноситель. Также конвектор 11 подключен к внешнему трубопроводу с расширительным бачком 8 и вентилем 9, через который в конвектор 11 попадает теплоноситель, где дополнительно подогревается от раскаленного конвектора 11 и поднимается вверх согласно законам физики перетекая в трубы верхнего ряда 14, смонтированные под углом 30 градусов к основанию 16 закрытой ёмкости 1, отдавая тепло в объём аккумулирующего материала 4. Охлажденный теплоноситель перетекает в резервуар 13 и выводится из системы через выходное отверстие. Часть теплоносителя, оставшаяся в резервуаре 13, продолжает циркулировать, протекая по трубам нижнего ряда 15 смонтированным под углом 10 градусов к основанию 16 закрытой ёмкости 1 и расположенных на расстоянии 18 см от основания 16 закрытой ёмкости 1, попадая в конвектор 11, где теплоноситель нагревается от конвектора 11 и смешивается с теплоносителем, поступающим из внешнего источника, и поднимается к трубам верхнего ряда 14, таким образом образуя замкнутый контур внутренней циркуляции теплоносителя. Резервуар 13, а также трубы верхнего ряда 14 и трубы нижнего ряда 15 выполнены из материала с теплопроводностью 150 Вт/(м⋅°С). При необходимости аккумулирования холода, вакуум заменяют на жидкий теплоноситель, например силиконовое масло.

Третий пример.

Термоаккумуляционное устройство содержит закрытую ёмкость 1 с двойными стенками 10, пространство между которыми заполнено вакуумом 18, образованным путем выкачивания газов с помощью клапана 6. Закрытая ёмкость 1 содержит крышку 2 и опорные блоки 3. Закрытая ёмкость 1 заполнена аккумулирующим материалом 4 с теплоёмкостью 4500 Дж/(кг⋅°С). С одной стороны закрытой ёмкости 1 в межстеночном пространстве смонтирован конвектор 11 с коническими полостями 12. В случае использования сконцентрированного солнечного излучения, солнечное излучение поступает на конвектор 11 с коническими отверстиями 12 и конические полости 12 нагревают проходящий через них теплоноситель. Также конвектор 11 подключен к внешнему трубопроводу с расширительным бачком 8 и вентилем 9, через который в конвектор 11 попадает теплоноситель, где дополнительно подогревается от раскаленного конвектора 11 и поднимается вверх согласно законам физики перетекая в трубы верхнего ряда 14, смонтированные под углом 60 градусов к основанию 16 закрытой ёмкости 1, отдавая тепло в объём аккумулирующего материала 4. Охлажденный теплоноситель перетекает в резервуар 13 и выводится из системы через выходное отверстие. Часть теплоносителя, оставшаяся в резервуаре 13, продолжает циркулировать, протекая по трубам нижнего ряда 15 смонтированным под углом 15 градусов к основанию 16 закрытой ёмкости 1 и расположенных на расстоянии 20 см от основания 16 закрытой ёмкости 1, попадая в конвектор 11, где теплоноситель нагревается от конвектора 11 и смешивается с теплоносителем, поступающим из внешнего источника, и поднимается к трубам верхнего ряда 14, таким образом образуя замкнутый контур внутренней циркуляции теплоносителя. Резервуар 13, а также трубы верхнего ряда 14 и трубы нижнего ряда 15 выполнены из материала с теплопроводностью 420 Вт/(м⋅°С). При необходимости аккумулирования холода, вакуум заменяют на жидкий теплоноситель, например силиконовое масло.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для накопления тепла. В термоаккумуляционном устройстве, содержащем закрытую ёмкость, заполненную аккумулирующим материалом, расположенные в объеме аккумулирующего материала теплообменник и устройство отбора тепла, закрытая ёмкость выполнена с минимум двумя стенками и клапаном, выполненным с возможностью создания вакуума между стенками или заполнения пространства между стенками теплоносителем. Теплообменник содержит резервуар, конвектор, трубы верхнего ряда и трубы нижнего ряда, смонтированные между резервуаром и конвектором, причем конвектор смонтирован в пространстве между стенками ёмкости и выполнен с коническими полостями с возможностью использования тепловой энергии от внешнего источника. Причем конвектор выполнен с возможностью принимать сконцентрированное солнечное излучение или электрическую энергию. Технический результат - снижение теплопотерь термоаккумуляционного устройства в окружающую среду. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Термоаккумуляционное устройство, содержащее закрытую емкость, заполненную аккумулирующим материалом, расположенные в объеме аккумулирующего материала внутри закрытой емкости теплообменник, выполненный с возможностью пропускать теплоноситель от внешних источников, и устройство отбора тепла, отличающееся тем, что закрытая емкость выполнена с минимум двумя стенками и клапаном, выполненным с возможностью создания вакуума между стенками или заполнения пространства между стенками теплоносителем, при этом аккумулирующий материал имеет теплоемкость от 700 до 4500 Дж/(кг⋅°С), теплообменник содержит резервуар, конвектор, трубы верхнего ряда и трубы нижнего ряда, смонтированные между резервуаром и конвектором, при этом трубы верхнего ряда смонтированы под углом от 15 до 60 градусов по отношению к основанию емкости и содержат как минимум одну теплообменную пластину, трубы нижнего ряда смонтированы под углом от 5 до 10 градусов по отношению к основанию закрытой емкости, резервуар, а также трубы верхнего ряда и трубы нижнего ряда выполнены из материала с теплопроводностью от 70 до 200 Вт/(м⋅°С), а конвектор смонтирован в пространстве между стенками и выполнен с коническими полостями с возможностью использования тепловой энергии от внешнего источника.

2. Термоаккумуляционное устройство по п. 1, отличающееся тем, конвектор выполнен с возможностью принимать сконцентрированное солнечное излучение.

3. Термоаккумуляционное устройство по п. 1, отличающееся тем, конвектор выполнен с возможностью принимать электрическую энергию.

4. Термоаккумуляционное устройство по п. 3, отличающееся тем, что конвектор выполнен с возможностью монтирования электрических нагревателей.