Тепловой аккумулятор
Использование: для нагрева водяного пара, паровоздушных и парогазовых смесей в энергетической и химической промышленности, для пиковых электростанций. Сущность изобретения: аккумулятор дополнительно снабжен индуктором 3 с магнитоприводом 4 и трубчатым электрическим нагревателем 8, установленными соответственно в слое изоляции корпуса и в стакане под теплообменником, что позволяет производить зарядку аккумулятора от электрической сети. Стакан выполнен из теплоизоляционного огнеупорного материала и снабжен крышкой 9, а теплообменник 7 и трубчатый нагреватель 8 закреплены на последней своими выходными участками для обеспечения их быстрой замены. 1 ил.
Изобретение относится к энергетике, энергомашиностроению, высокотемпературным источникам тепла для технологических целей и может быть использовано, например, для нагрева водяного пара, паровоздушных и парогазовых смесей в энергетической и химической промышленности, для пиковых электростанций. Известен нагреватель текучей среды, содержащий герметичный корпус, снабженный слоем теплоизоляции, подводящими и отводящим патрубками, расположенной коаксиально в корпусе теплоаккумулирующей насадкой, обогреваемой индуктором, установленный на подводящем патрубке выносной подогреватель газа в виде электрообогреваемого теплового аккумулятора и тепловые трубы, частично размещенные в слое теплоизоляции и связанные с тепловым аккумулятором. Недостатком этого нагревателя является небольшая удельная тепловая емкость аккумулирующей среды. Наиболее близким к предлагаемому является тепловой аккумулятор, содержащий металлический корпус, снабженный внутри слоем теплоизоляции. В корпусе установлен стакан, частично заполненный двумя аккумулирующими, не смешивающимися между собой веществами с различной плотностью преимущественно алюминием и свинцом. Теплообменник зарядки-разрядки расположен ниже границы раздела аккумулирующих веществ в слое вещества с большой плотностью. К корпусу подключена емкость, заполненная инертным газом. Недостатками этого аккумулятора являются недостаточная удельная тепловая емкость, невозможность зарядки от электрической сети и сложность замены теплообменника при ремонте. Целью изобретения является повышение тепловой мощности аккумулятора. Кроме этого, использование изобретения обеспечивает зарядку от электрической сети и облегчает замену теплообменника при ремонте аккумулятора. Указанная цель достигается тем, что менее плотное аккумулирующее вещество выполнено из эвтектического сплава алюминия с кремнием с содержанием кремния 12,7-30 мас. аккумулирующее вещество, нагреватель и теплообменник заключены в емкость в виде стакана с крышкой, выполненной из теплоизоляционного материала, совместно с аккумулирующим веществом и заключены в металлический корпус, между внутренней поверхностью и боковой поверхностью емкости установлен индуктор с магнитопроводом, при этом на крышке емкости закреплены теплообменник и нагреватель, установленные ниже границы раздела аккумулирующих веществ, с изолированными от расплава выводами. Применение сплава алюминия с кремнием, по сравнению с алюминием в прототипе, увеличивает удельную тепловую емкость менее плотного вещества за счет более высокой теплоты плавления и затвердевания. Для чистого алюминия теплота фазового перехода составляет 397 кДж/кг, для чистого кремния 1773 кДж/кг. Для сплавов алюминия с кремнием теплоту фазового перехода Q можно оценить на основе этих данных по формуле Q=1773-1376 
mAl, кДж/кг, где mAI массовая доля алюминия в сплаве с кремнием. Для состава с массовой долей алюминия mAI=0,873 теплота фазового перехода Q=572 кДж/кг, т.е. на 44% больше, чем у алюминия, а для состава с массовой долей алюминия mAI=0,7 Q=809 кДж/кг, т.е. больше, чем у алюминия в два раза. В прототипе рабочая температура аккумулятора равна 933 К. Применение сплавов алюминия с кремнием в качестве менее плотной аккумулирующей среды позволяет наряду с повышением тепловой мощности подбирать необходимую рабочую температуру аккумулятора в интервале от 850 К, когда используется сплав алюминия с содержанием кремния 12,7 мас. до 1090 К, когда используется сплав с содержанием кремния 30 мас. Нижний предел по содержанию кремния 12,7 мас. выбран в связи с тем, что это эвтектический сплав и имеет минимальную температуру полного расплавления 950 К. Верхний предел по содержанию кремния ограничен максимальной температурой работы конструкционных материалов теплообменника в свинце. Из анализа взаимных растворимостей в двойных системах Рв-Fe, Cr, Ni с использованием известных фазовых диаграмм в качестве верхнего температурного предела совместимости конструкционных сталей ферритного класса с расплавленным свинцом может быть принята температура 1090 К. При этой температуре пределы растворимостей основных компонентов ферритных сталей Fe и Cr в Рb составляют (1-4)10-4 ат. Помещение вовнутрь корпуса аккумулятора дополнительной емкости в виде стакана с крышкой и выполнение ее из огнеупорного теплоизоляционного материала позволяет увеличить тепловую мощность аккумулятора за счет теплоемкости этого материала. В заряженном состоянии аккумулятора внутренняя поверхность стенки емкости имеет температуру расплавленных аккумулирующих веществ 1090 К, в разряженном состоянии аккумулятора, когда затвердевает менее плотная аккумулирующая среда, температура внутренней стенки емкости будет 850 К. Допустив для оценок температуру внешней поверхности емкости постоянной, получим изменение средней температуры стенок емкости за цикл зарядки-разрядки аккумулятора в 120 К. При использовании в качестве материала емкости, например, высокоглиноземистого муллито-корундового огнеупора, имеющего среднюю теплоемкость в интервале температур (850-1090) К равную 1,014 кДж/кг град, дополнительная тепловая емкость аккумулятора составит 120х1,14=136,8 кДж на каждый килограмм массы материала емкости. Установка ниже границы раздела аккумулирующих веществ дополнительного трубчатого электрического нагревателя (ТЭНа) вместе с теплообменником, закрепленных на крышке аккумулятора, а также дополнительного индуктора с магнитопроводами, снижающими электрические потери в корпусе аккумулятора, позволяет увеличить тепловую мощность аккумулятора в процессе разрядки, не отключая электропитание ТЭНа и (или) индуктора, через которые ведутся процессы зарядки аккумулятора или компенсации тепловых потерь в режиме ожидания заряженного аккумулятора. В прототипе возможна или только зарядка, или только разрядка аккумулятора через теплообменник. В режиме разрядки тепловая мощность аккумулятора прототипа понижена не только за счет нескомпенсированных тепловых потерь через стенки, но из-за отсутствия дополнительных источников тепла. Изобретение поясняется чертежом. Тепловой аккумулятор содержит металлический корпус (1) в который помещена емкость (2) в виде стакана из высокоглиноземистого муллито-корундового теплоизоляционного, например, ВГП-72 огнеупора. Между наружной стенкой емкости (2) и корпусом (1) установлен медный водоохлаждаемый индуктор (3), рассчитанный на питание от сети переменного тока 50 Гц, магнитопровод (4) выполненный в виде пакетов из листовой трансформаторной стали и расположенный равномерно вокруг индуктора (3). Остальное пространство между емкостью (2) и корпусом (1) заполнено теплоизоляционным материалом. Емкость (2) частично заполнена сплавом (5) алюминия с кремнием и свинцом (6). Ниже границы раздела между сплавом (5) и свинцом (6) помещены теплообменник (7) и трубчатый электрический нагреватель ТЭН (8), выполненные с использованием стальных труб ферритового класса, например, 08Х18Т. Теплообменник (7) и ТЭН (8) закреплены на крышке (9) аккумулятора и их выводы собраны в один узел рядом со стенкой емкости (2) и изолированы от расплава (5) высокоглиноземистым огнеупором. Поверхность расплава (5) защищена от окисления инертным газом из емкости (10), сообщающейся с полостью (11) над расплавом. В зависимости от выбранной рабочей температуры применяется сплав алюминия с определенным содержанием кремния. Для изготовления теплового аккумулятора с рабочей температурой 850 К используется сплав алюминия с 12,7 мас. кремния. Для изготовления теплового аккумулятора с рабочей температурой 1090 К используют сплав алюминия с 30 мас. кремния. Работает тепловой аккумулятор следующим образом. Зарядка аккумулятора производится пропусканием через теплообменник (7) рабочего тела с температурой выше рабочей температуры аккумулятора и (или) включением в электрическую сеть ТЭНа (8) и (или) включением в электрическую сеть переменного тока с частотой 50 Гц индуктора (3) до полного расплавления аккумулирующей среды (5,6). От теплообменника (7) и (или) ТЭНа (8) тепло передается свинцу (6), а от него к сплаву алюминия с кремнием (5). При включении индуктора (3) тепло выделяется непосредственно в аккумулирующей среде (5) при интенсивном ее перемешивании. В заряженном состоянии, в режиме ожидания, компенсация тепловых потерь производится включением ТЭНа (8) или индуктора (3). Разрядка аккумулятора производится пропусканием рабочего тела через теплообменник (7). Тепло от расплава алюминия с кремнием (5) передается через свинец (6) теплообменнику (7), Из расплава алюминия с кремнием вначале выкристаллизовывается кремний, потом затвердевает эвтектической состав сплава с содержанием кремния 12,7 мас. Окончание затвердевания сплава алюминия с кремнием является оптимальным моментом конца разрядки. При продолжении разрядки происходит быстрое снижение температуры аккумулирующей среды (5 и 6). Затем цикл повторяется. Технические преимущества предлагаемого аккумулятора в сравнении с прототипом заключаются в том, что использование предлагаемого технического решения обеспечивает повышение тепловой емкости аккумулятора при той же массе аккумулирующей среды в (1,44-2) раза. Дополнительная установка ТЭНа и (или) индуктора по сравнению с прототипом придает аккумулятору способность производить зарядку от электрической сети, т.е. от самой распространенной основной формы используемой энергии. Индукционный нагрев позволяет, при необходимости, быстро нагреть до рабочей температуры аккумулирующую среду, так как выделение тепла происходит в самой среде при интенсивном ее перемешивании. Кроме того, ТЭН и (или) индуктор обеспечивает поддержку рабочей температуры аккумулятора в режиме ожидания без пропускания рабочего тела через теплообменник. Выполнение труб ввода и вывода теплообменника и ТЭНа через съемную крышку в верхней части корпуса позволяет быстро заменить теплообменник и ТЭН. Из всех составных узлов теплообменник и ТЭНы имеют наименьший срок службы. Имея сменный узел, состоящий из крышки и прикрепленных к ней теплообменника и ТЭНа, можно быстро заменить отслуживший срок узел на новый при заряженном аккумуляторе, т.е. с расплавленной аккумулирующей средой. Изоляция труб ввода и вывода и ТЭНа от расплава алюминия с кремнием исключает их взаимодействие. Повышение рабочей температуры до 1090К позволяет улучшить процессы теплообмена с повышением КПД. Предложенное техническое решение можно использовать в системах с относительно маломощным источником энергии, когда сравнительно длительны периоды зарядки аккумулятора и есть необходимость в быстрой разрядке, т.е. в импульсном режиме разрядки аккумулятора. Готовность к быстрой разрядке обеспечивается просто остановкой прохождения рабочего тела через теплообменник, а зарядка производится через ТЭН или индуктор. При импульсной разрядке источник энергии не отключается от аккумулятора, тем самым повышается мощность съема тепла. Наличие полости между емкостью и корпусом теплового аккумулятора позволило разместить дополнительную изоляцию внутри корпуса. Тепловая изоляция изнутри, в отличие от прототипа, разгружает корпус от циклических нагревов и охлаждений, что повышает срок его службы.
Формула изобретения
Тепловой аккумулятор, содержащий металлический корпус, снабженный внутри слоем изоляции, и установленный в нем стакан, частично заполненный двумя аккумулирующими, не смешивающимися между собой веществами с различной плотностью и снабженный теплообменником зарядки-разрядки, установленным ниже границы раздела аккумулирующих веществ в слое вещества с большей плотностью, отличающийся тем, что, с целью повышения тепловой мощности, он дополнительно снабжен индуктором с магнитопроводом и трубчатым электрическим нагревателем, установленными соответственно в слое изоляции корпуса и в стакане под теплообменником, стакан выполнен из теплоизоляционного огнеупорного материала и снабжен крышкой, а теплообменник и трубчатый нагреватель закреплены на последней своими выходными участками, пропущенными через слой аккумулирующего вещества с меньшей плотностью и заизолированными от него, при этом слоем аккумулирующего вещества с меньшей плотностью является сплав алюминия с кремнием с содержанием кремния 12,7 20,0 мас.РИСУНКИ
Рисунок 1MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Номер и год публикации бюллетеня: 29-2000
Извещение опубликовано: 20.10.2000
