RU2011928C1

RU2011928C1 - Power system heat accumulator

Info

Publication number: RU2011928C1
Application number: SU914955340A
Authority: RU
Inventors: П.П. Рябошапка; Л.Н. Малюкова; А.В. Ионов; Ю.Н. Коваль; П.В. Титов
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт им.акад.В.Н.Крылова
Priority date: 1991-06-25
Filing date: 1991-06-25
Publication date: 1994-04-30

Abstract

FIELD: thermal power engineering. SUBSTANCE: heat-absorbing elements are made in the form of washers from nontoxic, fireproof solid material mounted in series. A heat accumulator case has zonal bleed channels for condensate removal. An intermediate cooled working medium hot well chamber is fastened to the case. Two-position flaps are positioned in a heated working medium feed branch pipe and cooling working medium feed and bleed branch pipes. An alloy based on titan nickelide with working temperature range from -200 to +600 C and hysteresis temperature 15-40 C may be used as the material with thermally flexible phase transfers for the heat-absorbing elements. EFFECT: improved structure. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для улучшения технико-экономических показателей оборудования, энергетических установок и теплотехнических систем. The invention relates to mechanical engineering and can be used to improve the technical and economic indicators of equipment, power plants and heating systems.

В энергетике и транспортных энергетических установках используются тепловые накопители энергии (НЭ), представляющие собой устройства, в которых путем повышения температуры или изменения фазового состояния рабочего тела при подводе тепла запасается энергия. In power engineering and transport power plants, thermal energy storage devices (NEs) are used, which are devices in which energy is stored by raising the temperature or changing the phase state of the working fluid during heat supply.

Недостатком таких НЭ являются небольшое время хранения, связанное с потерями тепла путем теплопередачи посредством теплопроводности, лучеиспускания, конвекции теплоты, а также малое быстродействие и возможность выделения токсичных веществ. The disadvantage of such NEs is the short storage time associated with heat loss through heat transfer through heat conduction, radiation, heat convection, as well as low speed and the ability to release toxic substances.

В качестве рабочей среды, обеспечивающей накопление тепловой энергии, может быть использована вода в виде жидкости или пара, а также другие жидкости, например масло. Кроме того, в качестве рабочего тела, поглощающего избыточное тепло, используются вещества в твердом состоянии (например, корунд) или металлы (например, бериллий). Используются в качестве рабочего тела также системы с фазовыми переходами, например легкоплавкие вещества типа парафина, они обладают высокой энергоемкостью, однако пожароопасны. As the working medium that provides the accumulation of thermal energy, water can be used in the form of a liquid or steam, as well as other liquids, such as oil. In addition, solid substances (for example, corundum) or metals (for example, beryllium) are used as a working fluid that absorbs excess heat. Systems with phase transitions are also used as a working fluid, for example, low-melting substances such as paraffin, they have high energy intensity, but are fire hazardous.

Наиболее близким по своим техническим характеристикам, т. е. прототипом изобретения, является НЭ, рабочим телом которого является вода в стальном баллоне. При температуре 200^оС удельная энергоемкость такого НЭ составляет 60 кВт ч/м³ (52 ˙ 10³ ккал/м³), соответственно снижаясь при снижении температуры и увеличиваясь при ее повышении.The closest in its technical characteristics, i.e., the prototype of the invention, is NE, the working fluid of which is water in a steel cylinder. At a temperature of 200 ^{° C} the specific energy of the NEs is 60 kWh / m ³ (52 ˙ March ¹⁰ kcal / m ^3), respectively, decreasing with decreasing temperature and increasing with the increase it.

Недостатками такого НЭ является низкая удельная энергоемкость при невысоких температурах нагрева. В случае использования такого накопителя в варианте нагрева рабочего тела (воды) за счет пропускания нагретой рабочей среды через соответствующий канал (например, змеевик, размещенный в баллоне) НЭ работает медленно, особенно при циклической работе. Это связано с тем, что конвективный нагрев и охлаждение протекают медленно. В случае накопления тепловой энергии в результате заполнения баллона нагретой водой использование НЭ в транспортных средствах практически невозможно, так как при режиме накопления необходимо восполнять практически полностью рабочую среду, используемую для охлаждения силовой установки. Кроме того, виброустойчивость рассмотренного НЭ невелика. The disadvantages of this NE is the low specific energy consumption at low heating temperatures. In the case of using such a drive in the variant of heating the working fluid (water) by passing the heated working medium through the corresponding channel (for example, a coil placed in the cylinder), the NE operates slowly, especially during cyclic operation. This is due to the fact that convective heating and cooling are slow. In the case of accumulation of thermal energy as a result of filling the cylinder with heated water, the use of NE in vehicles is almost impossible, since in the accumulation mode it is necessary to replenish almost completely the working environment used to cool the power plant. In addition, the vibration resistance of the considered NE is small.

Целью изобретения является повышение удельных характеристик теплопоглощения и быстродействия при улучшении виброшумовых характеристик и эксплуатационных показателей теплонакопителя энергетической системы. The aim of the invention is to increase the specific characteristics of heat absorption and speed while improving vibration and noise characteristics and performance of the heat storage energy system.

Указанная цель достигается за счет того, что в теплонакопителе энергетической системы, состоящем из корпуса, теплопоглощающих элементов, патрубка нагретой рабочей среды, патрубков подвода и отвода охлаждающей рабочей среды с заслонками, промежуточной камеры сбора конденсата, использованы многоцикловые твердотельные теплопоглощающие элементы, последовательно установленные в корпусе и выполненные в виде содержащих отверстия шайб. В качестве материала шайб использованы сплавы с термоупругими мартенситными превращениями. This goal is achieved due to the fact that in the heat carrier of the energy system, consisting of a body, heat-absorbing elements, a nozzle of a heated working medium, pipes for supplying and discharging a cooling working medium with dampers, an intermediate condensate collection chamber, multi-cycle solid-state heat-absorbing elements are used, sequentially installed in the housing and made in the form of washers containing holes. Alloy materials with thermoelastic martensitic transformations were used as washer material.

После каждой шайбы выполнены зональные отводные отверстия для слива конденсата в промежуточную камеру сбора конденсата. Использование в качестве материала шайб сплавов с термоупругими фазовыми переходами (с прямым и обратным мартенситным превращением) позволяет обеспечить при высоком быстродействии и больших удельных значениях параметров теплопоглощения улучшенные виброакустические характеристики теплонакопителя (теплопоглотителя). After each washer, zonal drain holes are made for condensate drainage into the intermediate condensate collection chamber. The use of alloys with thermoelastic phase transitions (with direct and reverse martensitic transformations) as washers material allows one to provide, with high speed and large specific values of the heat absorption parameters, improved vibration-acoustic characteristics of the heat accumulator (heat sink).

Предложенное техническое решение по сравнению с прототипом имеет следующие отличительные признаки:
наличие многоцикловых быстродействующих твердотельных теплопоглощающих элементов, выполненных в виде последовательно установленных и содержащих отверстия шайб из материала с термоупругими фазовыми переходами;
наличие корпуса теплонакопителя с зональными отводными каналами;
наличие патрубков нагретой рабочей среды;
наличие патрубков подвода и отвода охлаждающей рабочей среды;
наличие двухпозиционных заслонок в патрубках подвода и отвода охлаждающей среды и патрубке подвода нагретой рабочей среды;
наличие промежуточной камеры сбора конденсата.The proposed technical solution in comparison with the prototype has the following distinctive features:
the presence of multi-cycle high-speed solid-state heat-absorbing elements made in the form of sequentially installed and containing washers holes from a material with thermoelastic phase transitions;
the presence of a heat accumulator housing with zonal drainage channels;
the presence of nozzles of a heated working environment;
the presence of nozzles for supplying and discharging a cooling medium;
the presence of on-off valves in the nozzles for supplying and discharging the cooling medium and the nozzle for supplying a heated working medium;
the presence of an intermediate condensate collection chamber.

Эти признаки в совокупности и только при их совместном введении в предложенное техническое решение позволяют достичь поставленную цель - повысить удельные характеристики теплопоглощения и быстродействие при улучшении виброшумовых характеристик (ВШХ) и эксплуатационных показателей теплонакопителя. These features in the aggregate and only when they are jointly introduced into the proposed technical solution allow us to achieve the goal - to increase the specific heat absorption characteristics and speed while improving the vibration noise characteristics (VHS) and the operating parameters of the heat accumulator.

На чертеже приведена схема предложенного теплонакопителя энергетической системы. The drawing shows a diagram of the proposed heat storage energy system.

Теплонакопитель состоит из корпуса 1, теплопоглощающих элементов 2, выполненных в виде шайб с отверстиями, опор 3 крепления шайб к корпусу, патрубка 4 подвода нагретой рабочей среды с заслонкой 5, патрубка 6 подвода охлаждающей среды с заслонкой 7, патрубка 8 отвода охлаждающей среды с заслонкой 9, зональных отводных каналов 10, промежуточной камеры 11 сбора конденсата. The heat accumulator consists of a housing 1, heat-absorbing elements 2, made in the form of washers with holes, supports 3 for fixing the washers to the housing, a nozzle 4 for supplying a heated working medium with a damper 5, a nozzle 6 for supplying a cooling medium with a damper 7, a nozzle 8 for removing the cooling medium with a damper 9, zonal drain channels 10, intermediate condensate collection chamber 11.

Работа устройства осуществляется следующим образом. The operation of the device is as follows.

В холодный теплонакопитель при закрытых заслонках 7 и 9 через патрубок 4 подается нагретая рабочая среда (например, пар), которая нагревает теплопоглощающие элементы 2, при этом температура нагретой рабочей среды снижается до заданных параметpов и она по каналам 10 поступает в промежуточную камеру 11 сбора конденсата, откуда может быть использована в таком виде в дальнейшем. Время работы при таком режиме зависит от количества и размеров используемых теплопоглощающих элементов 2. When the shutters 7 and 9 are closed, a heated working medium (for example, steam) is supplied to the cold heat accumulator through the pipe 4, which heats the heat-absorbing elements 2, while the temperature of the heated working medium is reduced to the specified parameters and it enters the intermediate condensate collection chamber 11 through channels 10 , from where it can be used in this form in the future. The operating time in this mode depends on the number and size of the heat-absorbing elements used 2.

После прогрева теплонакопителя до температуры входящей в него рабочей среды теплопоглощение осуществляется за счет термоупругих фазовых переходов с частотой f_туп ≥ 10 Гц. После поглощения расчетного количества тепла заслонка 5 закрывается. Затем открывается заслонка 7, теплонакопитель наполняется охлаждающей средой (например, забортной водой), после чего открывается заслонка 9, что обеспечивает циркуляцию охлаждающей среды в теплонакопителе. После окончания процессов обратных фазовых переходов в элементе 2 и охлаждения его до расчетной температуры (например, до температуры конца прямого мартенситного превращения) заслонка 7 закрывается, затем теплонакопитель освобождается от охлаждающей среды, заслонка 9 закрывается. Устройство готово к новому циклу работы "нагрев - охлаждение".After warming the heat accumulator to the temperature of the working medium entering it, heat absorption is carried out due to thermoelastic phase transitions with a frequency f _blunt ≥ 10 Hz. After absorbing the calculated amount of heat, the shutter 5 closes. Then the shutter 7 opens, the heat accumulator is filled with a cooling medium (for example, sea water), after which the shutter 9 is opened, which ensures the circulation of the cooling medium in the heat carrier. After the processes of reverse phase transitions in element 2 are completed and cooled to the calculated temperature (for example, to the temperature of the end of the direct martensitic transformation), the shutter 7 closes, then the heat accumulator is freed from the cooling medium, the shutter 9 closes. The device is ready for a new cycle of heating - cooling.

Использованный для теплопоглощающих элементов материал нетоксичен, устойчив к агрессивным средам, работает при высоких температурах (> 600^оС). Устройство имеет простую конструкцию, пожаро- и взрывобезопасно, экологически чисто, так как не требует использования вредных материалов. Высокое быстродействие теплонакопителя достигается за счет высокой скорости термоупругих фазовых превращений.The material used for heat-absorbing elements is non-toxic, resistant to aggressive environments, works at high temperatures (> 600 ^о С). The device has a simple design, fire and explosion, environmentally friendly, as it does not require the use of harmful materials. High performance heat accumulator is achieved due to the high speed of thermoelastic phase transformations.

Проведенные применительно к судовым теплотехническим системам проектные проработки предлагаемого устройства, а также расчетные оценки положительного эффекта показали, что удельные характеристики теплопоглощения могут быть повышены по сравнению с прототипом в несколько раз при улучшении ВШХ в пределах 5-20 дБ и обеспечении быстродействия менее 0,1 с (на несколько порядков больше, чем у прототипа). При этом использование материалов типа никелида титана обеспечивает широкий эксплуатационный диапазон температур (от -200 до +600^оС) при небольшом температурном гистерезисе (в пределах 15-40^оС).The design studies of the proposed device carried out with respect to ship heating systems, as well as the estimated estimates of the positive effect, showed that the specific heat absorption characteristics can be increased several times compared with the prototype with an improvement in the SHL within 5-20 dB and ensuring a speed of less than 0.1 s (several orders of magnitude more than the prototype). Moreover, the use of materials such as titanium nickelide provides a wide operating temperature range (from -200 to +600 ^о С) with a small temperature hysteresis (within 15-40 ^о С).

Claims

1. HEAT HEATER OF THE ENERGY SYSTEM, comprising a housing, heat-absorbing elements, nozzles of a heated working medium and nozzles for supplying and discharging a cooling medium, characterized in that, in order to increase the specific characteristics of heat absorption and the speed of heat transfer processes while improving vibration and noise characteristics and operational characteristics of the device, it is equipped with two-position dampers and a condensate collection chamber mounted on the housing and communicated with it through the outlet channels, heat-absorbing elements Options are designed as series arrangement comprising openings washers of non-toxic, fire-proof, solid material, and the on-off valve installed in the branch pipes for supplying and discharging the cooling working fluid.

2. The heat accumulator according to claim 1, characterized in that an alloy based on titanium nickelide with a range of operating temperatures from -200 to +600 ^o C at a temperature hysteresis of 15 - 40 ^o C. is used as a material for heat-absorbing elements.