Тепловой аккумулятор

(5) 6 Р 24 Н 7 00 Российской Федерацииам и товарным знакамОПИСАНИК ИЗОВРЕтЕНк авторскому свидетельству Комитетпо патент 1(2) 4880391/06 (22) 06.1.90ности,(56) Авторское свидетельство СССР Х зарядк.229549, кл. Р 290 17/02, 1984. Авторское Стакансвидетельство СССР Х 1179041, кл. Р 24 Н огнеуп7/09, 1984. 9, а те(57) Использование: для нагрева водяного выходи.пара, паровоэдушных н парогазовых смесей быстройв энергетической и химической промышлен-. г для пиковых электростанций. Сугцизобретения: аккумулятор дополниснаб;кен индуктором 3 с магнитолри и .трубчатым электрическим нагреи 8, установленными соответственно в золяции.корпуса и в стакане под О ообменником, что позволяет производить ыу аккумулятора от электрической сети.выполнен из теплоизоляционного орнаго материала и снабжен крышкой С) плообменник 7 и трубчатый нагревазакреплены на последней своимиыми участками для обеспечены ихзамены.ил. 9 фф( 00Изобретение 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 иотводящим патрубками, расположенной коаксиально в корпусе теплоаккумулирующейнасадкой, обогреваемой индуктором, установленный на подводящем патрубке 15выносной подогреватель газа в виде электрообогреваемого теплового аккумулятора итепловые трубы; частично размещенные вслое теплоизоляции и.связанные с тепловым аккумулятором, , 20Недостаткомэтого нагревателя является небольшая удельная тепловая емкостьаккумулирующей среды,Наиболее близким к предлагаемому яв-::ляется тепловой аккумулятор, содержащий 25металлический корпус, снабженный внутрислоем теплойзоляции, В корпусе установлей стакан, частично заполненный двумя аккумулирующими, не. смешивающимися.ностью преимущественно алюминием исвинцом. Теплообменник зарядки-разрядкирасположен нйже границы раздела аккумулирующих веществ в слое вещества с большой плотностью. К корпусу подключена 35емкость, заполненная инертным газом.Недостатками этого аккумулятора являются недостаточная удельная тепловаяемкость, невозможность зарядки от электрической сети и сложность замены теплообменника при ремонте.Целью изобретения является повышение. тепловой мощности аккумулятора. Кроме этого, использование изобретенияобеспечивает зарядку от электрической сети и облегчает замену теплообменника приремонте аккумулятора,Указанная цель достигается тем, чтоменее плотное аккумулирующее веществовыполнено из эвтектического сплава алю. минид с кремнием с содержанием кремния12,7-30 мас аккумулирующее вещество,нагреватель и теплообменник заключены вемкость в виде стакана с крышкой, выполненной иэ теплоизоляционного материала, %совместно с аккумулирующим веществом и, заключены в металлический корпус, междувйутренней поверКностью и боковой поверхностью емкости установлен индуктор смагнитопроводом, 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 пе-рехода О можно оценить на основе этих данных по формуле0-1773-1376 ед 1, кДж/кг,где ед - массовая доля алюминия в сплаве с кремнием.Для состава с массовой долей алюминия ед 1=0,873 теплота фазового перехода0-572 кДж/кг, т.е, на 44 ь больше, чем уалюминия, а для состава с массовой долей алюминия ед=0,7 0=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 аккуму-.лирующей 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.6, до 1090 К, когда ис- . пользуется сплав с содержанием кремния 30 масНижний предел по содержанию кремния 12,7 мас.ь 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-Ге, Сг, Мс использованием известных фазовых диаграмм в качестве верхнего температурного предела совместимости конструкционных ста-лей ферритного класса с расплавленным свинцом может быть принята температу- . ра 1090 К. При этой температуре пределы растворимостей основных компонентов ферритных сталей Ге и Сг в РЬ составляют (1-4) 10 ат.6.Помещение вовнутрь корпуса аккумулятора дополнительной емкости в виде . стакана с крышкой и выполнение ее иэ 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 эа цикл зарядки-разрядки аккумулятора в 120 К. При использовании в качестве материала емкости, например, высОкоглиноземистого муллитокорундового огнеупора, имеющего среднюю теплоемкость в интервале температур (850-1090) К равную 1,014 кДж/кг град, дополнительная тепловая емкость аккумулятора составит 120 х 1,14=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 зарядки, не отключая электропитание ТЭЙа 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 тепло-.вая мощность аккумулятора прототипа понижена не только эа счет нескомпенсированных тепловых потерь через стенки, ноиз-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, ВГПогнеупора.Между наружной стенкой емкости (2) и корпусом (1) установлен медный водоохлаждаемый индуктор(3), рассчитанный на питание , от сети переменного тока 50 Гц, магнито. провод (4) выполненный в виде пакетов из листовой трансформаторной стали и расположенный равномерно вокруг индуктора (3).Остальное пространство между емкостью (2) и корпусом (1) заполнено теплоиэоляционным 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 исполь зоаанием стальных труб ферритового класса, например, 08 Х 18 Т, 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 10 расплава (5) высокоглиноземистым огнеупором, Поверхность расплава (5) защищена от окисления инертным газом иэ емкости (10), сообщающейся с полостью (11) над расплавом.15 . В зависимости от выбранной рабочейтемпературы применяется сплав алюминия с определенным содержанием кремния.Для изготовления теплового аккумулятора с рабочей температурой 850 К используется 20 сплав алюминия с 12,7 мас. Окремния. Дляизготовления теплового аккумулятора с рабочей температурой 1090 К используют сплав алюминия с 30 мас, кремния.Работает тепловой аккумулятор следуй щим образом.Зарядка аккумулятора производитсяпропусканием через теплообменник (7) рабочего тела с температурой выше рабочейтемпературы аккумулятора и (или) включе нием 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) 35 ТЭНа (8) тепло передается свинцу (6), а отнего к сплаву алюминия с кремнием (5). При включении индуктора (3) тепло выделяется непосредственно в аккумулирующей среде (5) при интенсивном ее перемещивании. В 40 заряженном состоянии, в режиме ожида ния, компенсация тепловых потерь производится включением ТЭ На (8) или индуктора (3). Разрядка аккумулятора производится пропусканием рабочего тела через теплооб менник (7). Тепло от расплава алюминия скремнием (5) передается через свинец (6) теплообменнику (7), Из расплава алюминия с кремнием вначале выкристаллизовывается кремний, потом затвердевает эвтектиче ской состав сплава с содержанием кремния12,7 мас Окончание затвердевания сплава алюминия с кремнием является оптимальным моментом конца разрядки. При продолжении разрядки происходит быстрое 55 снижение температуры аккумулирующейсреды (5 и 6), Затем цикл повторяется,Технические преймущества предлагаемого аккумулятора в сравнении с прототипом заключаются в том, что использование предлагаемого технического решения обес1816070 Формула изобретенияТЕПЛОВр АККУ УЛЯТрР30 чатым электрическим нагревателемтановленными соответственно в слоеТепловой аккумулятор, содержащий изоляции корпуса и в стакане под тепметаллический корпус, снабженный лообменником ста аменником, стакан выполнен из тепнного огнеупорного материавнутри слоем изоляции, и установлен- лоизоляционного огнеупор г .ный в нем стакан, частично заполнен ла и снабжен крышкой, а ный двумя аккумулирующими, не сме- теплообменник и бнник и тру чатый нагреватель шивающимися между собой веществами закреплены на изакреплены на последней своими выс различной плотностью и снабженный ходными учас каходными участками, пропущенными четеплообменником зарядки-Разрядки ус Рез слой акк м тановленным ниже границы раздела ак меньшей плоРез слой аккумулирующего вещества сменьше плотностью и заизолированныкумулирующих веществ в слое веществас большей плотностью, отличаюиРйсарующего вещесми от него, при этом слоем аккумулирующего вещества с меньшей плотнотем, что, с целью повышения тепловой , . стью являетс. стью является сплав алюминия с мощности, он дополнительно снабжен кремнием с содер 12,7 индуктором с магнитопроводом и тРУб- - 20,0 мас Рвдактор Е, Гиринская Техред М.Моргентал Корректор С.Патрушева Тираж . . Подписное НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5: . Заказ 300 Производственно-издательский комбинат Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 печивает 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 поэволяет,.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 п)зволяет 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,5 Повышение рабочей температуры до 1090 К позволяет улучшить процессы тепло- обмена с повышением КПД, Предложенное техническое решение можно использовать в системах с относительно маломощным ис 10 точником энергии, когда сравнительно длительны периоды зарядки аккумулятора и есть необходимость в быстрой разрядке, т,е. . в импульсном режиме разрядки аккумулятора, Готовность к быстрой разрядке обеспе 15 чивается просто остановкой прохождения рабочегр тела через теплообменник; а зарядка производится через ТЭН или индуктор. При импульсной разрядке источник ,энергии не отключается от аккумулятора,20 тем самым повышается мощность съема тепла Наличие полости между емкостью и корпусом теплового аккумулятора позволило. Разместить дополнительную изоляцию внутри корпуса. Тепловая изоляция иэнут 25 ри, в отличие от прототипа, разгружает корпус от циклических нагревов и охлаждений, что повышает срок его службы.