Аккумулятор теплоты - термос

 

В аккумуляторе теплоты - термосе капсула расположена между внутренней и внешней стенками корпуса и заполнена изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим составом. В качестве теплоаккумулирующего состава используют вещество из ряда тяжелых углеводородов, например парафин. Внутренняя стенка корпуса совмещена с одной из стенок капсулы. Входное отверстие снабжено внешним запорным устройством. Корпус изолирован путем вакуумирования. Капсула выполнена герметичной. Объем теплоаккумулирующего состава в жидком состоянии при максимальном значении температуры рабочего диапазона равен внутреннему объему капсулы. Использование изобретения позволит повысить теплофизические характеристики и улучшить потребительские качества. 1 ил.

Изобретение относится к тепловым аккумуляторам (АТ) и может быть использовано в технических устройствах, потребляющих тепловую энергию, в частности, в качестве индивидуального бытового термоса.

Аккумулятор теплоты, применяемый как термос, должен обеспечивать в течение гарантированного срока, с одной стороны, сохранность вкусовых качеств горячих или иных пищевых продуктов, с другой стороны, заданный температурный режим.

Изменение качества пищевых продуктов зависит от наличия и степени развития в них микроорганизмов (Холодильная техника. Энциклопедический словарь, том 2, М., Госторгиздат, 1961). На развитие микроорганизмов оказывает влияние ряд факторов: температура, влажность, осмотическое давление, реакция среды и другие. Изменение этих факторов может ускорить или замедлить рост и размножение микроорганизмов.

Холодильное хранение пищевых продуктов основано на использовании низких температур, т. е. создание таких температурных условий, при которых жизнедеятельность микроорганизмов приостанавливается или совсем прекращается. Подобный способ весьма эффективен и широко применяется на практике для длительного хранения свежих овощей и фруктов, а также обработанной пищи в течение нескольких суток.

Однако часто возникает необходимость сохранения скоропортящейся обработанной пищи в горячем виде на время 8-24 и более часов. Для решения этой сложной технической задачи необходимо учесть тот факт, что теплолюбивые микробы (термофилы) оптимально развиваются при температуре 45-60^oC, бактерии погибают уже при температуре 40-50^oC, а психофилы не выдерживают температуру выше 30^oC. Кроме того, при возрастании длительности воздействия тепловой энергии микроорганизмы погибают при менее низкой температуре. Таким образом, диапазон изменения температур, при которых пища может храниться в горячем виде, составляет 50-100^oC. В то же время длительное хранение пищи в диапазоне 80-100^oC может значительно снизить ее ценность (уменьшение количества витаминов и других полезных для организма человека веществ) и ухудшить вкусовые качества (Книга о вкусной и здоровой пище. Издательство "Пищевая промышленность", М., 1965). Из сказанного выше следует, что горячую пищу желательно хранить при температуре 55-60^oC. В этом диапазоне температур потребление пищи наиболее комфортно для человека.

Наиболее эффективны с точки зрения процесса снижения температуры пищи индивидуальные бытовые термосы. На практике промышленностью выпускаются термосы для горячих напитков и суповые термосы (Энциклопедический словарь в двух томах, том 2, издательство "Советская энциклопедия", М., 1964). Технически термос представляет собой сосуд для поддержания постоянной (малоизменяющейся) температуры продукта при хранении и транспортировании. Для индивидуального пользования распространены термосы бутылочного типа из стекла или металла с двойными стенками, покрытыми изнутри амальгамой, между которыми выкачан воздух. Такие термосы сохраняют продукт горячим (или холодным) в лучшем случае до 24 часов.

Недостатком известных термосов является то, что они не могут термостатировать находящийся в них продукт, поскольку представляют собой пассивное техническое устройство, т. е. не вырабатывают тепловую энергию. В связи с этим длительность хранения горячей пищи относительно мала, особенно у термосов с широким горлышком.

Известен аккумулятор теплоты (Патент РФ N 2052734, 1996, аналог), содержащий теплоизолированный путем вакуумирования цилиндрический корпус, имеющий входное и выходное отверстия, к которым подключены впускная и выпускная трубы, размещенные в корпусе перпендикулярно к его продольной оси с образованием зазора относительно стенок капсулы, выполненные в виде кольцевых дисков, заполненные изменяющим свое агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим составом (ТАС), и разделительные пластины, установленные в кольцевом зазоре между капсулами и корпусом. В этом техническом решении тепловая энергия аккумулируется при предварительном расплавлении ТАС, которая передается через определенное время прокачиваемой через AT жидкости.

В отличие от термоса данный AT имеет входное и выходное отверстия, в то время как в термосе они совмещены. Поэтому данный аналог может быть отнесен к числу технических устройств под названием аккумуляторы теплоты - термосы, поскольку в них вырабатывается тепловая энергия при фазовом переходе (из жидкого состояния в твердое) ТАС. Однако с точки зрения теплофизических характеристик в качестве термоса он несовершенен. Кроме того такой термос не безопасен для здоровья человека, так как капсулы с ТАС могут разгерметизироваться со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Известна теплоаккумулирующая емкость для горячих напитков (патент США N 4765393, кл. F 24 H 7/00, 1988), содержащая цилиндрический корпус, имеющий входное отверстие, полость (капсулу), расположенную между внутренней и внешней стенками корпуса и заполненную изменяющим свое агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим составом, в качестве которого использовано вещество из ряда тяжелых углеводородов, например парафин, при этом внутренняя стенка корпуса совмещена с одной из стенок капсулы.

Недостатком данного прототипа является низкое термическое сопротивление между содержимым емкости и термоаккумулирующим составом и окружающей средой, что приводит к невозможности использования этого устройства при длительной эксплуатации.

Задача изобретения - повышение теплофизических характеристик аккумулятора теплоты-термоса и улучшение его потребительских качеств, включающих в себя температурный режим хранения, удобство эксплуатации и безопасность использования.

Указанная задача решается тем, что в аккумуляторе теплоты - термосе, содержащем цилиндрический корпус, имеющий входное отверстие, капсулу, расположенную между внешней и внутренней стенками корпуса и заполненную изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур аккумулирующим составом, в качестве которого используют вещество из ряда тяжелых углеводородов, например парафин, при этом внутренняя стенка корпуса совмещена с одной из стенок капсулы, входное отверстие снабжено внешним запорным устройством, корпус теплоизолирован путем вакуумирования, а капсула выполнена герметичной, причем объем теплоаккумулирующего состава в жидком состоянии при максимальном значении температуры рабочего диапазона равен внутреннему объему капсулы.

Заявляемая конструкция аккумулятора теплоты - термоса пояснена на чертеже. Она представляет собой цилиндрический корпус, теплоизолированный путем вакуумирования пространства между внутренней 1 и внешней 2 стенками, капсулу 3, выполненную в виде герметичного пространства, заполненного теплоаккумулирующим составом 4, входное отверстие 5 (выходное отверстие совмещено с входным) с внешним запорным устройством 6. Запальное устройство капсулы на чертеже не показано. Подобные аккумуляторы теплоты - термосы могут быть изготовлены из двух металлических заготовок для каждой стенки путем сварки. Технология их штамповки и дальнейшей сборки отработана в производстве металлических термосов и не вызывает технических трудностей. Для достижения полной безопасности ТАС 4 выбирают из такого вещества, которое абсолютно безвредно для человека. Этим требованиям удовлетворяет пищевой парафин. Температура плавления парафина находится в пределах 55-59^oC, а удельная теплота плавления составляет 190-200 кДж/кг. При плавлении парафин имеет относительное объемное расширение, равное 15-18%. Поскольку теплопроводность углеводородов по сравнению с металлами намного меньше, то такой ТАС является теплоизоляцией, расположенной по всей поверхности, за исключением входного отверстия. При переходе из жидкого состояния в твердое объем ТАС значительно уменьшается и в капсуле 3 создается разрежение. При этом осаждение твердого ТАС начинается на менее холодной внешней стенке, и в идеальном случае между внутренней стенкой 1 корпуса и затвердевшим ТАС образуется тонкое разреженное пространство, являющееся дополнительной тепловой изоляцией.

Заявляемая конструкция аккумулятора теплоты - термоса работает следующим образом. Сначала в него заливают горячую воду с тем, чтобы ТАС в капсуле полностью расплавился. При этом происходит переход тепловой энергии горячей воды в скрытую теплоту плавления ТАС (парафина). Поскольку внутренняя стена совмещена с одной из стенок капсулы, то теплопередача осуществляется быстро и без потерь. ТАС может быть нагрет до температуры 90-100^oC путем повторной заливки горячей водой либо подогревом электрокипятильником. Перегрев ТАС полезен, потому что запасенная тепловая энергия увеличивается. После проведенной предварительной подготовки термос заправляется пищевым продуктом и закрывается внешним запорным устройством.

Обеспечение температурного режима пищи, находящейся в термосе, происходит в два этапа. На первом этапе происходит постепенное снижение температуры пищи по экспоненте. Скорость изменения температуры зависит от температуры окружающей среды, степени вакуумирования термоса, начальной температуры ТАС и т.д. Затем при достижении температуры затвердевания ТАС происходит термостатирование пищи, т.е. ее температура держится на уровне 56-59^oC.

Наличие капсулы с ТАС обеспечивает такой температурный режим хранения пищи, при котором практически исключается появление микроорганизмов, способных снизить качество пищи. Кроме того, наличие участка термостатирования значительно дольше сохраняет температуру и ценность пищи, а для некоторых видов улучшает вкусовые качества (эффект "русской печи").

Таким образом, предлагаемый аккумулятор теплоты - термос позволяет повысить его теплофизические характеристики и улучшить потребительские качества.

Формула изобретения

Аккумулятор теплоты - термос, содержащий цилиндрический корпус, имеющий входное отверстие, капсулу, расположенную между внутренней и внешней стенками корпуса и заполненную изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим составом, в качестве которого используют вещество из ряда тяжелых углеводородов, например парафин, при этом внутренняя стенка корпуса совмещена с одной из стенок капсулы, отличающийся тем, что входное отверстие снабжено внешним запорным устройством, корпус теплоизолирован путем вакуумирования, а капсула выполнена герметичной, причем объем теплоаккумулирующего состава в жидком состоянии при максимальном значении температуры рабочего диапазона равен внутреннему объему капсулы.

РИСУНКИ

Рисунок 1