Аккумулятор тепла Советский патент 1993 года по МПК F24H7/00 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в устройствах с аккумулированием и переносом теплоты, преимущественно в жидкости.

Цель изобретения - расширение функ- циональных возможностей аккумулятора тепла.

Указанная цель достигается тем, что, в аккумуляторе тепла, содержащем установленные с возможностью взаимного перемещения упоры и размещенные между ними теплоаккумулирующие элементы из материала, претерпевающего обратимое термоупругое мартенситное превращение в рабочем диапазоне температур, согласно предлагаемому изобретению, упоры и элементы размещены в эластичной оболочке состоящей из трех частей, центральная из которых выполнена из менее эластичного материала чем крайние, причем упоры, соприкасаясь с оболочкой, полностью перекрывают поверхность крайних частей и по крайней мере частично средней.

Такое выполнение аккумулятора позволяет изменять знак плавучести устройства, погруженного в жидкость с градиентом температур, за счет чего обеспечивается его самопроизволь-ное перемещение между слоями жидкости с разной температурой и саморегулируемая реализация рабочего цикла аккумулятора (прием, хранение и отвод теплоты), что расширяет его функциональные возможности.

Предлагаемая конструкция аккумулятора позволяет удовлетворить противоречивые требования к эластичной оболочке. Так крайние части оболочки, выполненные из более эластичного материала, обеспечивают требуемое изменение объема аккумулятора. А средняя (центральная) часть, выполненная из менее эластичного материала, и упоры, соединенные теплоаккумулирующими элементами и полностью перекрывающие более эластичную поверхность крайних частей обо- почки, позволяют использовать аккумулятор в условиях действия высоких давлений (которые могут быть реализованы как внутри оболочки, так и снаружи).

Обратимое мартенситное превращение обнаружено при охлаждении сплавов Си- AI, Cu-Sn, Cu-Zn, а также в сплавах системы Tt-Ni-X (в качестве легирующей добавки X могут быть использованы Fe, Co, Мп, Си, Si и т.д.) и состоит в структурном переходе от кристаллической решеткм аустенитз к кристаллической решетке мартенсита. Температурный интервал превращения может быть от нескольких градусов до сотен градусов. Количество мартенсита увеличивается по мере понижения температуры ниже температуры начала мартенситного преобразо- вания Мн, пока не будет достигнута температура конца мартенситнрго преобразования Мк, при которой превращение завершается полностью. Под действием нагрузки при мартенситном преобразовании наблюдается эффект пластичности превращения, который проявляется в резком возрастании пластичности (сниже0 ние сопротивления деформированию) в интервале температур превращений. В процессе мартенситного превращения в пределах превращенного объема имеет место сдвиговая деформация, т.е. деформация

5 с изменением формы. Восстановление исходного состояния (формы) материала достигается как под нагрузкой, так и без нее дополнительным нагревом - эффект памяти формы. Восстановление формы начинается

0 при достижении температуры начала обратного мартенситного превращения Ан. Полное восстановление возможно после нагрева выше температуры конца обратного мартенситного превращения Ак.

5 Описанные выше эффекты реализуются в предлагаемом техническом решении следующим образом,

При охлаждении аккумулятора в тепло- аккумулирующих элементах происходит

0 прямое мартенситное превращение. Вследствие эффекта пластичности превращения под действием эластичных крайних частей оболочки теплоаккумулирующие элементы сжимаются, сжимается и эластичная обо5 лочка, аккумулятор теряет положительную плавучесть и тонет. По мере движения аккумулятор проходит все более теплые слои жидкости, нагревается. При нагреве до температуры начала обратного мартенситного

0 превращения начинается восстановление формы теплоаккумулирующих элементов - они начинают разжиматься, давят на упоры и конечные части оболочки начинают растягиваться, объем аккумулятора увеличивает5 ся, он обретает плавучесть и начинает всплывать. Цикл далее может быть многократно повторен.

Следует отметить, что при размещении горячих слоев ниже холодных слоев жидко0 сти происходит самопроизвольный теплообмен между слоями за счет естественной конвекции. Однако размещение в этих слоях предлагаемых аккумуляторов позволяет резко повысить интенсивность теплообме5 на как за счет собственно аккумулирующей способности устройства, так и за счет дополнительного перемешивания слоев, что существенно уменьшает время прогрева слоев. Кроме того, после прогрева всех слоев, аккумуляторы всплывают в верхние

слои, что при наличии свободной поверхности (теперь, после прогрева, заполненной всплывшими аккумуляторами) уменьшает потери тепла за счет испарения с этой поверхности.

Внутри эластичной оболочки может быть дополнительно размещена жидкость, преимущественно легкокипящая, которая дополнительно повышает теплоаккумулиру- ющую способность устройства за счет поглощения теплоты при фазовом переходе жидкость-пар. При этом, благодаря повышенной способности устройства работать при высоком внутреннем давлении, расширяется возможность выбора такой жидкости в зависимости от конкретных условий использования предлагаемого технического решения, что также расширяет функциональные возможности аккумулятора.

Жидкость целесообразно выбирать с температурами кипения и конденсации выше температуры начала прямого мартенсит- ного превращения, но ниже температуры начала обратного мартенситного превращения материала теплоаккумулирующих элементов. В этом случае обеспечивается полное испарение жидкости до приобретения положительной плавучести аккумулятора (т.е. при нагреве) и полная конденсация жидкости до приобретения отрицательной плавучести аккумулятором (т.е. при охлаждении). Это позволяет наиболее полно использовать теплоаккумулирующую способность устройства за счет полного использования теплоты фазовых переходов жидкости.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить новое свойство: саморегулируемый подвод, хранение и отвод теплоты аккумулятором в жидкости с градиентом теплоты за счет са- мопроизольного перемещения аккумулятора между слоями с разными температурами осуществляемого в широком диапазоне конструктивных и режимных параметров.

На чертеже показан продольный разрез аккумулятора тепла.

Аккумулятор тепла содержит непроницаемую эластичную оболочку, например из резины, состоящую из трех частей 1, 2 и 3, центральная 1 из которых выполнена из менее пластичного материала чем крайние 2 и 3. В оболочке установлены с возможностью взаимного перемещения упоры 4 и 5, которые соприкасаясь с оболочкой полностью перекрывают поверхность крайних 2 и 3 ее частей и, по крайней мере, частично средней 1. Между упорами 4 и 5 размещен, по меньшей мере, один теплоаккумулирующий элемент 6 из материала, претерпевающего

обратимое термоупругое мартенситное превращение в рабочем диапазоне температур. Дополнительно в эластичной оболочке может быть размещена жидкость 7, преимуще5 ственно легкокипящая.

Аккумулятор работает следующим образом. При погружении холодного аккумулятора в жидкость он тонет. В процессе нагрева в нижних, тепловых слоях жидкости

0 аккумулятор запасает теплоту. При нагреве аккумулятора выше температуры начала обратного мартенситного превращения начинается восстановление формы теплоаккумулирующих элементов б - они

5 начинают разжиматься, упоры 4 и 5 раздвигаются и растягивают наиболее эластичные участки 2 и 3 оболочки, объем аккумулятора увеличивается, он приобретает плавучесть и всплывает, попадая в более холодные слои

0 жидкости. В процессе охлаждения аккумулятор отдает теплоту. При охлаждении его ниже температуры начала прямого мартенситного превращения, вследствие эффекта пластичности превращения, под действием

5 растянутых участков 2 и 3 оболочки теплоак- кумулирующие элементы б сжимаются, сдвигаются упоры 4, 5, обьем аккумулятора уменьшается, он приобретает отрицательную плавучесть и тонет в горячие слои жид0 кости. Жидкость 7 при нагреве аккумулятора испаряется, а при охлаждении - конденсируется, за счет чего повышается теплоаккумулирующая способность аккумулятора. Цикл может быть многократ5 но повторен,

Перекрытие упорами 4 и 5 поверхности частей 2 и 3 оболочки полностью и части 1, по крайней мере, частично позволяет раз0 грузить наиболее эластичные участки 2, 3 оболочки от воздействия внешнего (при использовании аккумулятора в жидкости с градиентом температур под давлением) или внутреннего (при малом наружном давле5 нии или высоком внутреннем, возникающем при вскипании жидкости) давления. Что позволяет, учитывая меньшую эластичность участка 1 оболочки, обеспечить возможность значительного изменения объема ак0 кумулятора, а следовательно и плавучести, в условиях существенного перепада давлений действующего на оболочку аккумулятора. Увеличение запаса плавучести аккумулятора позволяет увеличить соответ5 ственно вес его элементов, что увеличивает его аккумулирующую способность.

В случае изготовления оболочки аккумулятора из резины, части 1, 2 и 3 надежно соединяются при вулканизации.

Технико-экономический эффект от использования предполагаемого изобретения заключается в следующем: расширяются функциональные возможности аккумулятора тепла, он без дополнительных внешних воздействий накапливает теплоту и передает ее от более горячих к менее горячим сло- ям жидкости в широком диапазоне конструктивных и режимных параметров; повышается теплоаккумулирующая способность устройства; обеспечивается усиленный перенос теплоты как за счет теплоаккумулирующей способности устройства, так и за счет усиленного перемешивания слоев жидкости с градиентом температур;

при прогреве всех слоев жидкости аккумуляторы всплывают на поверхность и препятствуют потерям тепла вследствие испарения.

Формула изобретения Аккумулятор тепла, содержащий установленные с возможностью взаимного перемещения упоры и размещенный между

ними по меньшей мере один теплоаккумули- рующий элемент, выполненный из материала, претерпевающего обратимое термоупругое мартенситное превращение в рабочем диапазоне температур, о т л и ч ающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей,упоры и теплоаккумулирующий элемент размещены в эластичной оболочке, выполненной составной из трёх частей, центральной и двух

боковых, причем центральная часть выполнена из материала с меньшей эластичностью, чем боковые, а упоры размещены с обеспечением контакта частично с центральной частью и полностью с боковыми.

Использование: в устройствах с аккумулированием и переносом теплоты, преиму5 щественно жидкости. Сущность изобретения: аккумулятор снабжен непроницаемой эластичной оболочкой, выполненной из трех частей, центральной 1 и боковых 2 и 3. Часть 1 выполнена из менее эластичного материала, чем части 2 и 3. В оболочке размещены с возможностью взаимного перемещения упоры 4 и 5, которые, соприкасаясь с оболочкой, полностью перекрывают ее части 2 и 3 и частично часть 1. Такое выполнение аккумулятора позволяет изменить знак плавучести устройства, погруженного в жидкость с градиентом температур, за счет чего обеспечивается его самопроизвольное перемещение между слоями жидкости с разной температурой. 2 ил. со Сл I