Аккумуляторы фазового перехода вещества

Snezhkin Yu., Mykhailyk V., Korinchevska T., Vorobiev L., Dekusha L.

Institute of Engineering Thermophysics of National Academy of Sciences of Ukraine

CEARA DE POLIETILENA Snejchin Iu., Mihailic V., Corincevscaia T., Vorobiev L., Decu^a L.

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ И ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПАРАФИНА, БУРОУГОЛЬНОГО И ПОЛИЭТИЛЕНОВОГО ВОСКОВ Снежкин Ю.Ф., Михайлик В.А., Коринчевская Т.В., Воробьёв Л.И., Декуша Л.В.

Институт технической теплофизики НАН Украины Аннотация. В работе рассмотрены теплоаккумулирующие материалы (ТАМ) с фазовым переходом на основе органических соединений, состоящие из парафина, буроугольного и полиэтиленового восков, выпускаемые в промышленных масштабах для литейного производства. Рассмотрена возможность использования для аккумулирования энергии, помимо теплоты фазового перехода, теплоемкости ТАМ в твердом и жидком состояниях. Показаны результаты исследований фазовых переходов при нагревании и охлаждении ТАМ методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Приведены методики измерения удельной теплоемкости и коэффициента теплопроводности. Методом ДСК исследованы температурные зависимости удельной теплоемкости ТАМ в твердом и жидком состояниях. Значения коэффициента теплопроводности определены контактным стационарным методом плоской пластины во всем температурном диапазоне работы теплового аккумулятора.

Ключевые слова: Тепловое аккумулирование, фазовый переход, теплоемкость, теплопроводность.

Введение

Обеспечение стабильной нагрузки на энергосистемы является актуальной проблемой в энергетике. Суточный график потребления электроэнергии в энергосистеме характеризуется резким ростом нагрузки в утренние и вечерние часы и значительным снижением в ночное время. При этом наибольшие проблемы возникают у электрогене-рирующих предприятий, так как возможность маневрирования мощностями у них сильно ограничена. Для частичного выравнивания суточных графиков нагрузки энергосистемы в Украине, как и в ряде стран Европы, введен льготный ночной тариф на электроэнергию, призванный стимулировать её потребление ночью.

Одним из экономически целесообразных направлений ночного потребления электроэнергии является аккумулирование, что позволяет накапливать энергию ночью по льготному тарифу и использовать ее постепенно в течение дня. В данном случае достаточно эффективным является использование электрических тепловых аккумуляторов.

Среди различных типов тепловых аккумуляторов перспективным является аккумулятор с использованием в качестве рабочего вещества материалов с фазовым переходом . Его преимуществом является способность обеспечивать высокую плотность аккумулирования энергии в узком диапазоне температур с незначительным изменением объема теплоаккумулирующего материала (ТАМ) при фазовом переходе . Наиболее распространенными материалами, которые используются для аккумулирования тепловой энергии, являются парафины .

В качестве ТАМ нами выбраны смеси на основе органических соединений, используемые в литейном производстве для изготовления моделей. Их выпуск налажен в промышленных масштабах в ООО «Химвоскпром» (г. Александрия, Украина). Смеси представляют собой сплав из парафина, буроугольного и полиэтиленового восков. Главное их преимущество состоит в том, что они в большинстве имеют фазовый переход в области температур, разрешенных санитарными нормами для жилых помещений, в процессе многократного циклического нагрева и охлаждения не теряют свои тепло-физические свойства , а в цене выгодно отличаются от чистых веществ.

Парафин, основный компонент смесей, является смесью углеводородов предельного ряда с кристаллической структурой. Углеводороды, входящие в состав парафина, представлены твердыми парафинами с температурой плавления 45.. .65 °C и церезинами (температура плавления 60.80 °C) . Его используют для придания моделям пластичности и устойчивости к трещинообразованию. Буроугольный воск — смесь воска, смолы и асфальтоподобных веществ. Это однородная масса темно-бурого цвета с интервалом плавления 82.90 °C. Имеет высокую прочность и твердость, способствует образованию твердой блестящей поверхности моделей . Полиэтиленовый воск -синтетическое высокомолекулярное соединение с температурой плавления 80. 115 °C. Повышает термостойкость и прочность парафина в 1,5 — 2 раза .

Методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) исследованы фазовые переходы при нагревании и охлаждении ТАМ, в результате определены их термодинамические параметры — температурные интервалы, а также энтальпии плавления и кристаллизации (табл. 1). Многократное циклическое нагревание и охлаждение ТАМ показало стабильность их физико-химических свойств, обеспечивающих многолетнюю эксплуатацию в тепловых аккумуляторах .

В дериватографе Q-1000 исследована термостойкость ТАМ, эксплуатационная характеристика, от величины которой зависит температура поверхности нагревателей или промежуточного теплового агента в теплоаккумулирующих устройствах . Результаты ранее проведенных исследований физико-химических свойств ТАМ частично представлены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики теплоаккумулирующих материалов

Смесь, № Температурный интервал, °С Теплота фазового перехода, кДж-кг-1 Температура начала термической деструкции, °С

плавление кристаллизация плавление кристаллизация

1 (90% парафина + 10 % буроугольного воска) 28.86 73.21 170,3 152,1 167

2 (85% парафина + 15 % буроугольного воска) 30.86 74.22 174,1 164,4 163

3 (75% парафина + 20 % буроугольного воска + 5% полиэтиленового воска) 30.102 88.22 163,1 139,8 170

Анализ полученных результатов показал, что смеси на основе парафина, буро-угольного и полиэтиленового восков имеют достаточно высокие величины теплоты фазовых переходов и обладают термической стойкостью, позволяющей использовать их в качестве рабочих тел теплоаккумулирующих устройств. Введение в состав смеси полиэтиленового воска вызывает расширение температурного диапазона фазового перехода, однако несколько понижает его удельную теплоту, что ставит в выгодное положение состав с 85% парафина и 15 % буроугольного воска.

Кроме того, как видно из ДСК-кривых нагревания (рис.1, а), на участках температур до плавления и после его завершения происходит аккумулирование теплоты за счет повышения внутренней энергии материала. Освобождается эта теплота при охлаждении ТАМ до начала кристаллизации и после ее завершения (рис.1, б). При этом количество энергии, аккумулированной при нагревании и высвободившейся при охлаждении, зависит от теплоемкости ТАМ в твердом и жидком состояниях.

Рис. 1. ДСК-кривые нагревания (а) и охлаждения (б) ТАМ

Теоретический расчет количества теплоты, запасенной аккумулятором с рабочим материалом на основе органических соединений с фазовым переходом, может быть выполнен по формуле:

Q = c™/(т)тТПЛ — T)+АНплш + cж/(т)т(г2 -T*) (1)

где:

cтв — удельная теплоемкость ТАМ в твердом состоянии, кДж-кг-1-К-1;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

cж — удельная теплоемкость ТАМ в жидком состоянии, кДжкг» -К» ;

m — масса ТАМ, кг;

T — температура окружающей среды, оС;

т2 — конечная температура нагревания ТАМ, оС;

TH — начальная температура плавления ТАМ, оС;

TjK — конечная температура плавления ТАМ, оС;

АНпп — удельная теплота плавления ТАМ, кДж-кг-1.

Количество теплоты отдаваемой аккумулятором в окружающую среду при охлаждении в том же температурном диапазоне равно количеству аккумулированной теплоты.

Неизвестными в уравнении (1) являются температурные зависимости удельной теплоемкости ТАМ в твердом cтв = f (т) и жидком cж = f (т) состояниях.

Для расчета теплообмена в аккумуляторе в режимах аккумулирования и разрядки также необходимы данные об изменении теплопроводности ТАМ.

В данной статье представлены результаты исследований температурных зависимостей коэффициента теплопроводности и удельной теплоемкости ТАМ в твердом и жидком состояниях.

Определение удельной теплоемкости ТАМ

Теплоемкость смесей определялась в дифференциальном сканирующем микрокалориметре ДСМ-2М, оснащенном компьютерной программой сбора и обработки информации «ThermCap», написанной на языке программирования Delphi. Термостатиро-вание измерительного блока микрокалориметра осуществлялось водным раствором этанола, охлажденным в криостате МК-70 до -30 °С. Для предотвращения конденсации влаги в калориметрических ячейках измерительный блок заполняли осушенным газообразным гелием, поток которого контролировали в процессе измерений.

Образцы ТАМ массой 11.. .13 мг закрывали в герметичные алюминиевые контейнеры с массой, отличающейся не более чем на ±0,02 мг.

Измерение осуществляли путем пошагового сканирования по методике, широко используемой во многих исследовательских лабораториях при определении удельной теплоемкости веществ и материалов . Температурный диапазон был разделен на интервалы, в конечных точках которых измеряли отклонения кривой ДСК от базовой линии после перевода микрокалориметра из режима сканирования в изотермический режим. Измерение отклонений повторяли не менее трех раз. Для этого каждый раз содержимое ячеек охлаждали до стартовой температуры, величина которой была на 20 °С ниже конечной температуры сканирования. Скорость сканирования составляла 8 К/мин.

Удельную теплоемкость измеряли в температурных интервалах 5.30 и 85.115 °С, соответствующих твердому и жидкому состоянию ТАМ.

На всех этапах измерения в ячейке сравнения находился пустой контейнер. В ходе измерений в измерительную ячейку поочередно помещали пустой контейнер, контейнер с эталонной мерой теплоемкости и контейнер с исследуемым образцом и определяли отклонения ДСК-кривой пустого контейнера (У), эталонной меры теплоемкости ев массой Шц (У^) и исследуемого образца массой тШ (Ут) от базовой линии. Расчет удельной теплоемкости исследуемого материала производили по формуле (2):

с ± г Ьс (2)

Ст» Г ± гк (2)

Средние значения абсолютного величин Г складывали со средними величинами Гт и ¥х, когда отклонения не совпадали по направлению относительно базовой линии и вычитали, если направления отклонений совпадали.

В качестве эталонной меры теплоемкости использовали синтетический корунд а-Л12О3, обладающий стандартными термодинамическими свойствами . Удельную теплоемкость стандартного образца рассчитывали по аппроксимирующим температурные зависимости полиномам:

в интервале температур Т = 190-320 К

пд = — 49,024407 + 0,651534 О — 771,53 10″6 О2 + 0,889-10-7 О3

и в интервале температур Т = 320-400 К

пд = 147,4338- 0,0281 О + 0,000045 О2 -18190,6836/(0 -13,5) + 3,4768- 10 13(О — 273,15)4 .

Для оценки точности измерений была определена удельная теплоемкость образцовой меры (синтетического корунда) из теплового комплекта калориметра. Средняя квадратичная ошибка отдельного измерения и относительная погрешность составили 0,155 Дж-кг-1-К-1 и 0,67 % соответственно.

Результаты определения удельной теплоемкости ТАМ в указанных интервалах температур представлены на рис. 2. В области от 30 до 80 °С наблюдается фазовый переход (плавление), поэтому измерение теплоемкости не производилось. Как видно с рисунка температурные зависимости удельной теплоемкости исследованных веществ и материалов в твердом и жидком состояниях имеют разный характер. В низкотемпературной области зависимости имеют большую крутизну, чем в области высоких температур, т.е. расплавы аккумулируют теплоту в основном за счет повышения температуры.

Наибольшую удельную теплоемкость, как в твердом, так и в жидком состояниях имеет парафин, наименьшую — буроугольный воск. Удельные теплоемкости смесей 1, 2 и 3 занимают промежуточное положение между значениями удельной теплоемкости парафина и буроугольного воска.

Проверочный расчет теплоемкости согласно правилу аддитивности показал, что вычисленные значения удельной теплоемкости смесей, как суммы парциальных величин экспериментально определенных теплоемкостей компонентов, имеют небольшое различие с измеренными калориметрическим методом. При 20 °С для смеси 1 расхождение значений составляет 7,6 %, а для смеси 2 — 8,0 %. При 100 °С для смеси 1 расхождение в значениях удельной теплоемкости составляет 0,3 %, а для смеси 2 — 4,3 %.

Как показывает опыт, использование правила аддитивности для расчета удельной теплоемкости композиционных материалов органического происхождения допускается

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

лишь на стадии предварительной оценки. Из-за возможного взаимодействия компонентов, смеси могут приобретать новые свойства, что требует экспериментального определения теплоемкости.

Рис. 2. Зависимости удельной теплоемкости образцов ТАМ от температуры

Определение теплопроводности ТАМ

На теплопроводность материала влияет большое число параметров — температура, структура и состояние вещества, внешнее воздействие и др. Точное ее определение расчетным путем практически невозможно и поэтому значение коэффициента теплопроводности находят экспериментально.

Объектом исследования выбрана смесь 2, имеющая наивысшую величину энтальпии плавления и кристаллизации. Теплопроводность смеси определяли методом плоской пластины на разработанном и изготовленном в ИТТФ НАНУ приборе ИТ-7-60НМ, предназначенном для измерения теплопроводности твердых, мелкодисперсных сыпучих и жидких материалов.

Элементы прибора образуют ячейку-контейнер для образца в виде короткого цилиндра. Образец в ячейке-контейнере размещен между источником и стоком теплоты (нагревателем и холодильником) прибора, а боковые грани образца изолированы кольцом из теплоизоляционного материала. При измерениях поддерживают постоянные температуры нагревателя и холодильника прибора, а соответственно и постоянную разность температуры на поверхностях образца. Теплосъём со стока теплоты прибора осуществляется конвективно — продувкой окружающего воздуха через радиатор холодильника.

Исследования ТАМ, изменяющих свое агрегатное состояние в процессе исследований, проводилось с применением открытых ячеек-контейнеров с карманом для компенсации изменения объёма. Открытая сверху ячейка-контейнер (при снятом нагревателе) нагревалась до температуры на 3…5 К выше температуры плавления исследуемого материала и заполнялась порциями материала по мере его плавления. Добавление материала проводилось до заполнения всего объёма ячейки, включая карман. Затем устанавливался верхний нагреватель — ячейка закрывалась и медленно охлаждалась. При этом часть материала из кармана переходит в диск образца. Толщина этого диска определяется параметрами конструкции ячейки-контейнера.

2,5 -,

1,5 Н-1-1-1-1— —I-1-1-1-1-1

0 10 20 30 40 80 90 100 110 120 130

Температура, °С

-ж-Смесь 1 -«-Смесь 2 -*-Смесь 3 -«-Парафин Буроугольный воск

Для измерения теплопроводности при заданной температуре образца устанавливают температуры нагревателя и холодильника прибора с разницей в 5…10 К. Для минимизации боковых теплопотерь образца, температуру защитного экрана прибора устанавливают соответствующую средней температуре между нагревателем и холодильником. После установления стационарного теплового режима проводят серию измерений сигналов преобразователей теплового потока (ПТП) и термоэлектрических преобразователей температуры, по которым рассчитывают средние значения тепловых потоков и температур.

Значение средней температуры образца (ср и значение теплопроводности при этой температуре Л.((ср) рассчитывают по формулам (3) и (4).

и + (

(ср

4ср ) =

И.

2(А — ¿2 ) 4\ + 42

обр

(3)

(4)

— я.

бал

где ^, — значения температуры, найденные по показаниям термоэлектрических преобразователей, установленных над и под образцом, К;

4 , 4 2 — значения плотности теплового потока, найденные по показаниям ПТП, установленных над и под образцом, Вт-м-2;

И обр — толщина образца, м;

ябал — балластное тепловое сопротивление между встроенными термоэлектрическими преобразователями и поверхностями образца, К-Вт»1.

Исследование теплопроводности теплоаккумулирующего материала состоит из серии экспериментов, для каждого из которых задается средняя температура образца. Измерения начинают при минимальном значении температур из рабочего диапазона и продолжают, увеличивая значение средней температуры.

Пределы основной относительной погрешности измерения коэффициента теплопроводности составляют ± 3.5 %.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Результаты исследования теплопроводности представлены на рис. 3.

Температура,

Рис. 3. Зависимости коэффициента теплопроводности от температуры (смесь №2)

В интервале температур 20.30 °С, характерного для твердого состояния ТАМ, наблюдается постепенное увеличение коэффициента теплопроводности с ростом температуры — 0,242.0,245 Вт-м_1-К-1. Скачок значений коэффициента теплопроводности в интервале 40.80 °С объясняется фазовым переходом материала из твердого состояние в жидкое. Для жидкого состояния (80.120 °С) также характерно увеличение коэффициента теплопроводности с ростом температуры. Хотя сами значения коэффициента теплопроводности для жидкого состояния (0,189.0,198 Вт-м-1-К-1) изменяются незначительно.

Выводы

В работе подвергнуты испытаниям теплоаккумулирующие материалы на основе органических соединений с фазовым переходом в области температур, разрешенных санитарными нормами для жилых помещений.

В результате исследований, проведенных методом ДСК, получены температурные зависимости удельной теплоемкости смесей на основе парафина, буроугольного и полиэтиленового восков в твердом и жидком состояниях. Несмотря на более высокие значения удельной теплоемкости состава смеси с полиэтиленовым воском в жидком состоянии по сравнению с составом, содержащим 85 % парафина и 15% буроугольного воска, из-за снижения удельной теплоты перехода, приводящей к уменьшению емкости аккумулятора, этот состав не включен в перечень материалов для использования в качестве теплоаккумулирующих.

Во всем температурном диапазоне работы теплового аккумулятора контактным стационарным методом плоской пластины определены значения коэффициента теплопроводности смеси, содержащей 85 % парафина и 15% буроугольного воска, рекомендованной для применения в качестве теплоаккумулирующего материала.

Показана возможность использования для аккумулирования энергии, помимо теплоты фазового перехода, теплоемкости исследованных теплоаккумулирующих материалов в твердом и жидком состояниях.

Полученные данные необходимы для составления полного теплового баланса и расчета теплообмена на этапах накопления теплоты аккумулятором и его разрядки.

Литература

Переверзев А.Н. Производство парафинов / А.Н. Переверзев, Н.Ф. Богданов, Ю.Н. Рощин — М. : Химия, 1973. — 224 с.

Олейник Б.Н. Точная калориметрия / Б.Н. Олейник. — 2-е изд., перераб. — М. : Изд-во стандартов, 1973. — 208 с.

Сведения об авторах:

Снежкин Юрий Федорович, Институт технической теплофизики Национальной Академии наук Украины, зам. директора, член-корреспондент НАН Украины, д.т.н., профессор. Область научных интересов: процессы тепломассопереноса и их интенсификация, исследования кинетики конвективной сушки, разработка методов сушки различного рода материалов, разработка и создание энергоресурсосберегающих теплотехнологий и оборудования. E-mail: ntps@bk.ru

Михайлик Вячеслав Аврамович, Институт технической теплофизики Национальной Академии наук Украины, ведущий научный сотрудник, к.т.н. Область научных интересов: термический анализ, калориметрия, биотопливо, аккумулирования тепловой энергии. E-mail: mhlk45@gmail.com

Коринчевская Татьяна Владимировна, Институт технической теплофизики Национальной Академии наук Украины, научный сотрудник. Область научных интересов: аккумулирование тепловой энергии с применением материалов с фазовым переходом, термический анализ, калориметрия. E-mail: tvkorin@gmail.com

Воробьёв Леонид Иосифович, Институт технической теплофизики Национальной Академии наук Украины, ведущий научный сотрудник, к.т.н. Область научных интересов: приборы и методы измерения тепловых величин. E-mail: teplomer@ukr.net

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Декуша Леонид Васильевич, Институт технической теплофизики Национальной Академии наук Украины, заведующий отделом теплометрии, к.т.н. Область научных интересов: приборы и методы измерения тепловых величин. E-mail: teplomer@ukr.net

ш ш

П

й,

Изобретение относится к теплотехнике, предназначено для аккумулирования и утилизации низкопотенциального тепла жидкостей или газов, которые нельзя хранить и/или накапливать в больших объемах без специального оборудования, например едкие агрессивные вещества, дымовые газы от химических производств и т.п., и может быть использовано для отопления зданий. Тепловой аккумулятор фазового перехода содержит цилиндрический корпус со сферическим днищем, блок вертикальных трубчатых капсул, заполненных теплоаккумулирующим веществом, претерпевающим в интервале рабочих температур фазовое превращение, подводящий и отводящий патрубки. В отличие от прототипа он дополнительно снабжен перегородкой, разделяющей корпус на изолированные камеры, испарителем теплового насоса, расположенным в верхней камере вблизи блока капсул, двумя трубчатыми элементами с отверстиями на поверхности для подачи воздуха, один выполнен в форме змеевика, охватывающего ряды капсул и установленного на перегородке в верхней камере, другой выполнен в форме спирали и установлен на днище корпуса в нижней камере, блок капсул закреплен на поперечной перегородке таким образом, что в нижней камере расположен их испарительный участок, а в верхней -конденсационный участок, отводящий патрубок расположен в днище на продольной оси корпуса, а подводящий патрубок — в нижней камере тангенциально корпусу, верхняя камера заполнена теплоаккумулирующей средой, претерпевающей в интервале рабочих температур фазовое превращение, например концентрированный раствор соли. Задачей изобретения является повышение эффективности, надежности и непрерывность работы устройства. 3 ил.

Изобретение относится к теплотехнике, предназначено для аккумулирования и утилизации низкопотенциального тепла жидкостей или газов, которые нельзя хранить и/или накапливать в больших объемах без специального оборудования, например едкие агрессивные вещества, дымовые газы от химических производств и т.п., и может быть использовано для отопления зданий.

Известен тепловой аккумулятор фазового перехода по патенту России №2187049, F 24 H 7/00, содержащий цилиндрический корпус, состоящий из одной камеры, блок горизонтально расположенных капсул, заполненных теплоаккумулирующим веществом, претерпевающим в интервале рабочих температур фазовое превращение, подводящий и отводящий патрубки. Капсулы выполнены из коаксиально расположенных цилиндров.

Подводящий патрубок расположен на продольной оси корпуса, а отводящий смещен относительно этой оси.

Такое расположение патрубков не обеспечивает закручивания входящей и выходящей сред, в результате чего образуются застойные зоны в нижней части корпуса. При пропускании загрязненной теплоотдающей среды пространство между блоком капсул забивается грязью, что снижает надежность устройства.

Отсутствие средств принудительного перемешивания поступающей среды снижает теплообмен и эффективность работы устройства.

Невозможно передать тепло от загрязненной среды к чистой без загрязнения последней при однокамерном корпусе из-за непосредственного контакта теплоотдающей и теплоаккумулирующей сред с одним и тем же участком аккумулирующих капсул. Это снижает эффективность работы устройства.

Недостатком является также периодичность в работе устройства, т.к. поступление теплоотдающей и теплоаккумулирующей сред происходит в разное время (поочередно) из-за отсутствия дополнительной камеры.

Кроме того, невозможно использовать низко потенциальное тепло из-за отсутствия в конструкции испарителя теплового насоса.

Известен также аккумулятор теплоты по патенту России № 2145404, F24H 7/00, принятый за прототип и содержащий цилиндрический корпус со сферическим днищем, состоящий из одной камеры, блок вертикальных трубчатых капсул, заполненных теплоаккумулирующим веществом, претерпевающим в интервале рабочих температур фазовое превращение, подводящий и отводящий патрубки. Подводящий патрубок расположен на продольной оси корпуса, а отводящий — смещен относительно этой оси.

Такое расположение патрубков не обеспечивает закручивания входящей и выходящей сред, в результате чего образуются застойные зоны в нижней части корпуса. При пропускании загрязненной теплоотдающей среды пространство между блоком капсул забивается грязью, что снижает надежность устройства.

Отсутствие средств принудительного перемешивания поступающей среды снижает теплообмен и эффективность работы устройства.

Невозможно передать тепло от загрязненной среды к чистой без загрязнения последней при однокамерном корпусе из-за непосредственного контакта теплоотдающей и теплоаккумулирующей сред с одним и тем же участком аккумулирующих капсул. Это снижает эффективность работы устройства.

Недостатком является также периодичность в работе устройства, т.к. поступление теплоотдающей и теплоаккумулирующей сред происходит в разное время (поочередно) из-за отсутствия дополнительной камеры. Кроме того, невозможно использовать низкопотенциальное тепло из-за отсутствия в конструкции испарителя теплового насоса.

Задачей изобретения является повышение эффективности, надежности и непрерывность работы устройства.

Тепловой аккумулятор фазового перехода содержит цилиндрический корпус со сферическим днищем, блок вертикальных трубчатых капсул, заполненных теплоаккумулирующим веществом, претерпевающим в интервале рабочих температур фазовое превращение, подводящий и отводящий патрубки.

В отличие от прототипа он дополнительно снабжен перегородкой, разделяющей корпус на изолированные камеры, испарителем теплового насоса, расположенным в верхней камере вблизи блока капсул, двумя трубчатыми элементами с отверстиями на поверхности для подачи воздуха, один — выполнен в форме змеевика, охватывающего ряды капсул и установленного на перегородке в верхней камере, другой выполнен в форме спирали и установлен на днище корпуса в нижней камере, блок капсул закреплен на поперечной перегородке таким образом, что в нижней камере расположен их испарительный участок, а в верхней — конденсационный участок, отводящий патрубок расположен в днище на продольной оси корпуса, а подводящий патрубок — в нижней камере тангенциально корпусу, верхняя камера заполнена теплоаккумулирующей средой, претерпевающей в интервале рабочих температур фазовое превращение, например концентрированный раствор соли.

Снабжение устройства перегородкой позволяет разделить корпус на две изолированные камеры, обеспечив разделение теплоотдающей и теплоаккумулирующей сред. В результате происходит постоянный процесс теплообмена одновременно в обеих камерах.

Установка блока капсул таким образом, что в нижней камере расположен их испарительный участок, а в верхней — конденсационный, обеспечивает непрерывность процесса теплообмена между теплоотдающей средой и потребителем (через тепловой насос).

Размещение теплового насоса в верхней камере — камере конденсации вблизи блока капсул обеспечивает равномерный отвод тепла к потребителю, что повышает эффективность работы теплового насоса и всего устройства.

Выполнение трубчатого элемента на днище корпуса спиральным, расположение подводящего патрубка тангенциально корпусу, а отводящего патрубка — на продольной оси корпуса в днище и сама сферическая форма днища способствуют закручиванию теплоносителя по спирали. Это, в свою очередь, способствует увеличению скорости теплоносителя в нижней камере и интенсивному равномерному омыванию блока капсул даже при малой скорости теплоносителя, что повышает эффективность теплообмена, а также эффективность работы теплового насоса и устройства в целом.

Кроме того, эффект принудительного закручивания теплоносителя в нижней камере исключает образование застойных зон и обеспечивает надежное отделение твердой взвеси, находящейся в теплоносителе (к центру днища и удаление ее через отводящий патрубок), что повышает надежность устройства.

Выполнение трубчатого элемента в форме змеевика просто в изготовлении и позволяет удобно расположить его между рядами капсул для возможности равномерной подачи воздуха по всему объему верхней камеры.

Отверстия на поверхности обоих трубчатых элементов позволяют подать в них воздух, обеспечивающий принудительное перемешивание среды (барботаж) по всему объему каждой камеры. Это ускоряет процесс теплообмена между блоком капсул и средой, а в нижней камере способствует дополнительному закручиванию среды из-за спиральной формы трубчатого элемента. Все это увеличивает скорость движения среды, что повышает коэффициент теплопередачи и эффективность работы устройства.

Использование концентрированного раствора соли в качестве теплоаккумулирующей среды позволяет, не увеличивая габаритов устройства, накапливать большой объем тепловой энергии в относительно малом объеме раствора соли из-за скрытой теплоты фазового перехода соли из кристаллов в раствор, что необходимо для обеспечения эффективной работы насоса, т.е. для передачи тепла потребителю даже при низких температурах раствора соли.

Таким образом, все заявляемые признаки являются существенными и решают поставленную задачу.

Заявляемое устройство представлено на чертежах:

фиг.1 — тепловой аккумулятор фазового перехода, общий вид;

фиг.2 — разрез А-А на фиг.1;

фиг.3 — тепловой аккумулятор фазового перехода, изометрия.

Тепловой аккумулятор фазового перехода (фиг.1,3) содержит корпус, состоящий из двух частей: верхняя выполнена в форме параллелепипеда 1, нижняя в форме цилиндра 2, разделенные между собой поперечной перегородкой 3 на две камеры — соответственно верхнюю 4 и нижнюю 5; блок вертикальных трубчатых капсул 6, заполненных теплоаккумулирующим веществом, претерпевающим в интервале рабочих температур фазовое превращение; подводящий 7 и отводящий 8 патрубки, расположенные в нижней камере 5; испаритель теплового насоса 9; трубчатый элемент 10, выполненный в форме змеевика и установленный на перегородке 3 в верхней камере 4; трубчатый элемент 11 (фиг.2), выполненный в форме спирали и установленный на сферическом днище корпуса 12 в нижней камере 5. Трубчатые элементы 10 и 11 выполнены с отверстиями на поверхности для подачи воздуха. Верхняя камера 4 заполнена концентрированным раствором соли. Подводящий патрубок 7 расположен тангенциально корпусу 2. Отводящий патрубок 8 расположен в днище 12 на продольной оси корпуса.

Устройство работает следующим образом.

Через подводящий патрубок 7 в нижнюю камеру 5 поступает теплоотдающая среда (теплоноситель), который закручиваясь по спирали, ускоряет свое движение и равномерно омывает испарительный участок блока капсул 6 (фиг.1,2). Одновременно с этим через отверстия в трубчатом элементе 11 подают воздух. Происходит интенсивное и равномерное перемешивание среды (барботаж). Жидкость в блоке капсул 6 начинает интенсивно кипеть и испаряться, поднимаясь в их верхнюю конденсационную часть, расположенную в верхней камере 4, где конденсируется, отдавая тепло раствору соли и накапливаясь там. Для равномерного перемешивания среды в верхнюю камеру 4 подают воздух через отверстия в трубчатом элементе 10. В результате раствор соли равномерно омывает конденсационный участок блока капсул 6 и испаритель теплового насоса 9, передавая последнему тепло. Затем через тепловой насос (не показано) тепло поступает к потребителю.

Отдавший свое тепло, охлажденный теплоноситель выходит наружу через отводящий патрубок 8, закручиваясь при этом по спирали и образуя в центре днища 12 воронку, в которую затягивается с ускорением твердая взвесь.

Таким образом, процесс теплообмена непрерывно происходит в обеих камерах: в нижней камере 5 — отдача тепла, в верхней камере 4 — прием и накопление тепла.

Формула изобретения

1. Тепловой аккумулятор фазового перехода, содержащий цилиндрический корпус со сферическим днищем, блок вертикальных трубчатых капсул, заполненных теплоаккумулирующим веществом, претерпевающим в интервале рабочих температур фазовое превращение, подводящий и отводящий патрубки, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен перегородкой, разделяющей корпус на изолированные камеры, испарителем теплового насоса, расположенным в верхней камере вблизи блока капсул, двумя трубчатыми элементами с отверстиями на поверхности для подачи воздуха, один выполнен в форме змеевика, охватывающего ряды капсул и установленного на перегородке в верхней камере, другой выполнен в форме спирали и установлен на днище корпуса в нижней камере, блок капсул закреплен на поперечной перегородке таким образом, что в нижней камере расположен их испарительный участок, а в верхней — конденсационный участок, отводящий патрубок расположен в днище на продольной оси корпуса, а подводящий патрубок — в нижней камере тангенциально корпусу, верхняя камера заполнена теплоаккумулирующей средой, претерпевающей в интервале рабочих температур фазовое превращение.

2. Тепловой аккумулятор фазового перехода по п.1, отличающийся тем, что в качестве теплоаккумулирующей среды, заполняющей верхнюю камеру, используют концентрированный раствор соли.

РИСУНКИ

Тепловой аккумулятор: грелка для мотора

Помните, что страшней всего для автомобиля зимой? Пуск двигателя. Наш климат балансирует между неопределенно «умеренным» и откровенно «холодным». И что такое «толкнуть движок», когда за бортом минус двадцать, многие из вас знают не понаслышке.

Наш народ огорчить трудно. «Хитрая на выдумки голь» знает множество способов согреть двигатель перед пуском. От умывания кипяточком до встраивания в картер ТЭНа, подключающегося к ближайшей розетке или все тому же едва живому аккумулятору. Если аккумулятор полностью умер, поможет зарядное устройство для автомобильного аккумулятора. Самых капризных «уговаривают» с паяльной лампой в руках. Суррогатное решение никогда не проходит безнаказанно. От такой подготовки автомобиль страдает еще больше, чем от неподготовленного пуска: быстро стареют краска, резина и пластиковая изоляция, гибнет из-за локального перегрева дорогое масло, разрушается от резких перепадов температуры и ржавеет металл.

И это при том, что сам двигатель в процессе работы выделяет огромное количество тепла просто в атмосферу. Многие пытались связать две эти вещи между собой, мало кто сумел продвинуться дальше идеи. Не так это просто — собрать лишнее тепло сегодня и вернуть его завтра или через пару суток.

Тем отрадней сообщить вам, что светлые головы, сумевшие решить эту задачку, нашлись в нашем Отечестве. Причем, решение оказалось простым как валенок. И по сути крепко смахивает на термобигуди.

Тепловые аккумуляторы — это не обычные аккумуляторы Varta. Названное «тепловым аккумулятором» устройство представляет собой пакет герметично заваренных капсул, наполненных особым кристаллическим веществом. Пакет помещен в своеобразный термос — металлический сосуд с вакуумно-порошковой теплоизоляцией — и включается в контур охлаждения двигателя параллельно отопителю салона. Контур заполняется незамерзающей охлаждающей жидкостью (ТОСОЛом или АНТИФРИЗОМ), для ее принудительной циркуляции имеется электропомпа. Во время работы двигателя жидкость проходит через аккумулятор, под действием ее тепла содержимое капсул плавится. Плавление, как известно, происходит с поглощением (аккумуляцией, т.к. это процесс обратимый) некоторого количества тепловой энергии. Здесь используется теплоемкость фазового перехода из твердого состояния в жидкое. У данного вещества она почти уникальна. На полную зарядку уходит минут десять, а сохраняется накопленная энергия несколько суток (двое при -40°).

Когда приходит пора «заводиться», включают помпу. Пробегая через пакет капсул, жидкость снимает с них аккумулированное тепло и возвращает туда, откуда принесла — в контур охлаждения двигателя. Материал в капсулах совершает обратный фазовый переход, эквивалентный по высвобождаемой энергии работе нагревателя с начальной тепловой мощ- ностью в три десятка киловатт. За считанные минуты температура двигателя поднимается на верных полсотни градусов. Бесшумно и практически без затрат энергии двигатель заводится.

Изобрели тепловой аккумулятор и разработали конструкцию в николаевской компании «МОТОРТЕХНИКА». Воплотили в материал весной девяносто четвертого. Год шли натурные испытания устройства на автомобиле ИЖ 21251-010. «ИЖ» набегал с ним восемьдесят тысяч. Никак не прочувствовал тридцатиградусные морозы — заводился без проблем.

Двигатель разогревался минуты за три, заводился легко и устойчиво работал на холостом ходу. Стартовать можно было через минуту-полторы. Причем, эта пауза нужна была не столько для выравнивания температуры и давления масла, сколько на просушивание ветрового стекла (отолитель тоже предварительно прогревается). Свечам такой режим пришелся по вкусу — обычные А-20ДВ «отбегали» эти два экватора без единой замены или прочистки.

Естественно, просчитывался и возможный рынок. Не сомневаясь, что товар найдет спрос в Украине, авторы присматривались и к рынку северного соседа. Еще бы, где ж найти другую такую страну, где на трех четвертях территории «девять месяцев зима». То есть, товар изначально становился «экспортно-ориентированным». Сразу по окончании испытаний прототипа устройство, получившее марку УОПД-0.8 (Устройство облегчения пуска двигателя с начальной теплоемкостью 0,8 кВт/час), было передано на теплотехнические испытания в лабораторию АО «ГАЗ».

Оборудованную им серийную «Газель» испытали в климатической камере при температурах от -20 до -40 °С с выдержкой в 16 и 36 часов. После шестнадцати часов «зимы» аккумулятор поднимал температуру двигателя на 55 градусов (с -20 до +35 °С или с -40 до +15 °С). После полутора суток ему хватало сил на рывок в 45-50 градусов. На прогрев уходило 5-6 минут, двигатель заводился легко. Пусковой ток стартера снижался на 60-80 ампер, а экономия топлива составила четверть литра на каждом пуске. Нетрудно посчитать, что устройство окупится за один-пять месяцев эксплуатации (в зависимости от ее интенсивности и климатических условий), так что смысл купить авто аккумулятор определенно есть.

Сегодня УОПД-0.8 уже производится серийно. Модель применима к любым ДВС обьемом до 4000 «кубиков» с жидкостной системой охлаждения — карбюраторным, дизельным и работающим на газе. Внешне это цилиндр диаметром в двадцать сантиметров и длиной в сорок, сухим весом в 16,5 килограммов. Монтируется рядом с двигателем или в салоне за перчаточным ящиком. В сравнении с западным аналогом, весьма редким, кстати, по цене (примерно USD400) выигрывает вдвое и во много крат — по надежности. Имеет гарантию на 24 месяца и ресурс эксплуатации в 10 лет. Готовится выпуск линейки ТА под разные обьемы двигателей и автомобили разных типов.

Несомненную пользу от новинки могут извлечь установщики. Монтаж занимает пару часов и оценивается в 10% стоимости ТА. Уверен, что автовладельцы охотно уступят установку и обслуживание специалистам.

Не менее интересно это может быть и производственникам. Прежде всего — оборонщикам. Даже без армейского заказа конверсионные предприятия могут наладить изготовление и сбыт ТА внутри страны и соседям. Первыми заказчиками могут стать группы быстрого реагирования — милиция, спецназ, скорая помощь. Лицензию на производство разработчики предоставят.

Закладка Постоянная ссылка.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *