RU2088857C1

RU2088857C1 - Heat-accumulating element and heat accumulator on base of this element

Info

Publication number: RU2088857C1
Application number: RU9393036725A
Authority: RU
Inventors: Владимир Викторович Булычев; Евгений Стефанович Емельянов; Валерий Николаевич Загрязкин; Александр Викторович Маковецкий; Виктор Сергеевич Степанов
Original assignee: Владимир Викторович Булычев; Евгений Стефанович Емельянов; Валерий Николаевич Загрязкин; Александр Викторович Маковецкий; Виктор Сергеевич Степанов
Priority date: 1993-07-16
Filing date: 1993-07-16
Publication date: 1997-08-27

Abstract

FIELD: accumulation of phase transition heat in heat accumulators for heating living spaces. SUBSTANCE: heat-accumulating element is made in form of unit with passages; element is made from composite material containing heat-resistant ceramic as base where granules of hypereutectic alloy on base of aluminium with silicon are distributed. Composite material is made on base of magnesium alloy with 12.5 to 25.0 mas.% of silicon at volume content of granules up to 30-70 vol.% Proposed heat-accumulating element is used as base for heat accumulator and is secured inside monolithic high-porous concrete block; concrete is made on base of material selected from mullite, chamotte, pearlite and vermiculite group. Assembly consisting of one or several monolithic blocks is heat insulated in metal container having double walls; inter-wall space of containers is filled with highly-effective heat insulation. This space may be also used for forming passages of natural and forced convection of heat-transfer agent. EFFECT: enhanced efficiency. 4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области теплоснабжения и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения жилых и производственных помещений. The invention relates to the field of heat supply and can be used for heating and hot water supply of residential and industrial premises.

Известно выполнение теплоаккумулирующего элемента в виде капсулы, заполненной плавящейся в зоне рабочих температур эвтектической смесью солей. Капсулы укладываются в общий теплоизолированный контейнер. Для организации подвода тепла к зарядно-разрядному теплообменнику и отвода тепла от него за счет испарения-конденсации применяется отдельный теплоноситель (Бекман Г. Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии. М. Мир, 1987, с. 64). It is known to perform a heat storage element in the form of a capsule filled with a eutectic salt mixture melting in the working temperature zone. Capsules are placed in a common insulated container. To organize the supply of heat to the charge-discharge heat exchanger and heat removal from it due to evaporation-condensation, a separate heat carrier is used (Beckman G. Gilly P. Thermal energy storage. M. Mir, 1987, p. 64).

Известен также электрический нагреватель, содержащий корпус, разделенный поперечной перфорированной перегородкой на верхнюю и нижнюю камеры, первая из которых снабжена патрубком подвода нагреваемого теплоносителя, а последняя заполнена теплоаккумулирующим веществом с фазовым переходом в зоне рабочих температур и снабжена электронагревательным элементом. Электронагреватель снабжен дополнительной поперечной перегородкой, размещенной в верхней камере с образованием между дополнительной и перфорированной перегородками полости, объем которой равен разности объемов теплоаккумулирующего вещества в твердом и жидком состояниях при температуре плавления теплоаккумулирующего вещества. После включения электронагревательного элемента нагрев теплоносителя (вода) начинается только после полного расплавления теплоаккумулирующего вещества. После отключения электронагревательного элемента и начала твердения вещества в полости образуется воздушная прослойка, препятствующая отбору тепла к теплоносителю, что повышает равномерность нагрева помещения через боковые стенки корпуса. В качестве плавящегося вещества предложено использовать парафин. An electric heater is also known, comprising a housing divided by a transverse perforated partition into upper and lower chambers, the first of which is equipped with a nozzle for supplying a heated coolant, and the latter is filled with a heat-accumulating substance with a phase transition in the operating temperature zone and is equipped with an electric heating element. The electric heater is equipped with an additional transverse partition placed in the upper chamber with the formation of a cavity between the additional and perforated partitions, the volume of which is equal to the difference between the volumes of the heat-accumulating substance in solid and liquid states at the melting temperature of the heat-accumulating substance. After switching on the electric heating element, heating of the heat carrier (water) begins only after the complete melting of the heat storage substance. After the electric heating element is turned off and the hardening of the substance begins, an air gap is formed in the cavity, which prevents the heat from being taken to the coolant, which increases the uniformity of heating the room through the side walls of the housing. It is proposed to use paraffin as a melting substance.

На базе этого электрического нагревателя построена отопительная система, в которую отдельные электронагреватели могут быть включены как в номинальном своем положении, так и повернутыми на 180^o относительно своей горизонтальной оси. Соединение электронагревателей осуществляется трубами с помощью соединительных муфт. Электрическое соединение осуществляется резьбовыми муфтами (авт. св. 1688071 AI, МКИ⁵ F 24H 7/00, 1/20 от 30.10.91 г.).Based on this electric heater, a heating system is built in which individual electric heaters can be turned on both in their nominal position and rotated 180 ^o relative to their horizontal axis. Electric heaters are connected by pipes using couplings. The electrical connection is carried out by threaded couplings (ed. St. 1688071 AI, MKI ⁵ F 24H 7/00, 1/20 dated 10.30.91).

К недостаткам известной конструкции относятся низкая эффективность подвода и съема тепла вследствие невысокой теплопроводности парафина как в твердом, так и в жидком состояниях, что ограничивает геометрические размера нагревателя. Ограничения на максимальные размеры, накладываемые низкой теплопроводностью парафина, вместе с невысокой теплотой плавления 40 кВт-час/м³ при температуре около 60^oC, приводят к высокой материалоемкости и низкой эффективности отопительной системы в целом для обогрева жилых помещений.The disadvantages of the known design include the low efficiency of heat supply and removal due to the low thermal conductivity of paraffin in both solid and liquid states, which limits the geometric dimensions of the heater. Restrictions on the maximum dimensions imposed by the low thermal conductivity of paraffin, together with the low heat of fusion of 40 kWh / m ³ at a temperature of about 60 ^o C, lead to high material consumption and low efficiency of the heating system as a whole for heating residential premises.

Задачей авторов является повышение удельной емкости единичного теплоаккумулирующего элемента и за счет этого удешевление стоимости изготовления и повышения эффективности эксплуатации теплового аккумулятора, созданного на его базе. The authors' task is to increase the specific capacity of a single heat storage element and, due to this, reduce the cost of manufacturing and increase the operational efficiency of a heat accumulator created on its basis.

Для решения поставленной задачи авторами предложено теплоаккумулирующий элемент изготавливать в виде цилиндра со сквозным центральным отверстием из композиционного материала, содержащего основу из жаростойкой керамики, в которой распределены гранулы из заэвтектических сплавов на основе алюминия с кремнием. Этот теплоаккумулирующий элемент может быть выполнен как монолитным, так и виде суммы отдельных блочков. Составы жаростойкой керамики и гранул должны быть согласованы как по совместимости в рабочем диапазоне температур, так и по коэффициентам термического расширения (КТР). В частности для аккумуляторов тепла на базе Al Si сплавов, предназначенных для обогрева жилых помещений, наиболее удобными в качестве рабочих температур являются минимальные температуры плавления в системе Al Si, составляющие 577-700^oC, что отвечает составу сплава с 12,5-25 мас. кремния, а наиболее близкой по КТР керамикой для данных сплавов является керамика на основе окиси магния.To solve this problem, the authors proposed to produce a heat-storage element in the form of a cylinder with a through central hole of a composite material containing a base made of heat-resistant ceramic, in which granules of hypereutectic aluminum-silicon alloys are distributed. This heat storage element can be made as monolithic, as well as the sum of the individual blocks. The compositions of heat-resistant ceramics and granules should be coordinated both in compatibility in the working temperature range and in thermal expansion coefficients (KTP). In particular, for heat accumulators based on Al Si alloys intended for heating residential premises, the most convenient as working temperatures are the minimum melting temperatures in the Al Si system of 577-700 ^o C, which corresponds to the composition of the alloy with 12.5-25 wt. . silicon, and the closest KTP ceramic for these alloys is ceramic based on magnesium oxide.

Одной из основных технических проблем, связанных с созданием тепловых аккумуляторов, на основе предлагаемых высокотемпературных элементов, является проблема высокоэффективной теплоизоляции. В предлагаемой конструкции теплового аккумулятора теплоизоляция, в частности как вариант, может быть выполнена в виде трех слоев. Первый слой выполняется из жаростойкого высокопористого бетона, в котором зафиксированы теплоаккумулирующий элемент или группа теплоаккумулирующих элементов. Исходя из функционального назначения и температурных условий работы, в качестве материала первого слоя могут использоваться, в частности, бетоны из дешевых с низкой собственной удельной плотностью и теплопроводностью материалов типа муллит, форстерит, динас, шамот, вермикулит с пористостью 50-70% При выполнении этого слоя теплоизоляции в виде прямоугольника в сечении путем постановки одного теплоизолированного блока на другой, можно организовать многоэлементный тепловой аккумулятор. One of the main technical problems associated with the creation of thermal batteries, based on the proposed high-temperature elements, is the problem of high-performance thermal insulation. In the proposed design of the heat accumulator, thermal insulation, in particular as an option, can be made in the form of three layers. The first layer is made of heat-resistant highly porous concrete, in which a heat storage element or a group of heat storage elements are fixed. Based on the functional purpose and temperature conditions, the first layer material can be used, in particular, concrete made from cheap materials with low intrinsic specific gravity and thermal conductivity such as mullite, forsterite, dinas, chamotte, vermiculite with a porosity of 50-70%. a thermal insulation layer in the form of a rectangle in cross section by placing one thermally insulated block on another, it is possible to organize a multi-cell thermal battery.

Полученная таким образом сборка, состоящая из одного или нескольких теплоаккумулирующих элементов с теплоизоляцией из пористого бетона, закрепляется через теплоизолирующие прокладки в металлическом контейнере с двойными стенками. Пространство между теплоаккумулирующей сборкой и внутренними стенками металлического контейнера заполняется высокоэффективной теплоизоляцией, например на основе минеральной ваты. Пространство между внутренней и внешней металлическими стенками является третьим теплоизоляционным слоем и в зависимости от мощности теплового аккумулятора используется для организации естественной или принудительной конвекции теплоносителя. В качестве теплоносителя в первую очередь могут использоваться воздух и/или вода. The assembly thus obtained, consisting of one or more heat-accumulating elements with thermal insulation of porous concrete, is fixed through heat-insulating gaskets in a metal container with double walls. The space between the heat storage assembly and the inner walls of the metal container is filled with highly effective thermal insulation, for example, based on mineral wool. The space between the inner and outer metal walls is the third heat-insulating layer and, depending on the capacity of the heat accumulator, it is used to organize natural or forced convection of the coolant. As a heat carrier, air and / or water can be used in the first place.

В частности, естественная конвекция воздуха реализуется путем организации сквозных каналов на разных уровнях с регулируемым проходным сечением для управления мощностью теплосъема. Принудительная конвекция осуществляется дополнительной установкой микровентиляторов на входе воздуха в тепловой аккумулятор. In particular, natural air convection is realized by organizing through channels at different levels with an adjustable flow area to control the heat removal capacity. Forced convection is carried out by the additional installation of micro-fans at the air inlet into the heat accumulator.

Для аппаратов большой тепловой мощности в пространство между внутренней и внешней металлической стенками дополнительно могут быть вставлены водяные теплообменники (змеевики) с естественной или принудительной циркуляцией воды. For devices of high thermal power, water heat exchangers (coils) with natural or forced water circulation can be additionally inserted into the space between the internal and external metal walls.

Дополнительно, в верхней части тепловой аккумулятор может иметь съемную теплоизолирующую крышку, закрывающую плоский радиатор, служащий для приготовления пищи. Additionally, in the upper part of the heat accumulator may have a removable heat-insulating cover that covers a flat radiator, used for cooking.

Предлагаемая конструкция позволяет существенно увеличить удельную емкость теплоаккумулирующего элемента. Так, например, для элемента с наружным диаметром 100 мм, внутренним диаметром для электрического нагревателя 15 мм и общей длиной 650 мм, изготовленного из композиционного материала на основе окиси магния с 50% по объему гранул из заэвтектического сплава Al+12,5 мас. Si, емкость теплоаккумулирования составляет 2,7 кВт-часа в рабочем диапазоне температур 300-700^oC. Сборка из четырех таких элементов будет обладать емкостью в 10 кВт-часов, а тепловой аккумулятор в целом будет иметь внешние габариты (ориентировочно) 1000х1000х400 мм. Учитывая небольшие величины плотностей используемых материалов(~ 2,5 3,0 г/см³), удельная емкость тепловыделения по отношению к активной части теплового аккумулятора составит 0,2 кВт•ч/кг или 0,6 кВт•ч/дм³.The proposed design can significantly increase the specific capacity of the heat storage element. So, for example, for an element with an outer diameter of 100 mm, an inner diameter for an electric heater of 15 mm and a total length of 650 mm, made of a composite material based on magnesium oxide with 50% by volume of granules from a hypereutectic Al + 12.5 wt. Si, the heat storage capacity is 2.7 kW-hours in the operating temperature range of 300-700 ^o C. An assembly of four such elements will have a capacity of 10 kW-hours, and the heat accumulator as a whole will have external dimensions (approximately) of 1000x1000x400 mm. Given the small densities of the materials used (~ 2.5 3.0 g / cm ³ ), the specific heat generation capacity relative to the active part of the heat accumulator will be 0.2 kW • h / kg or 0.6 kW • h / dm ³ .

Высокая теплопроводность используемых композиционных материалов (~ 100 Вт/м ^oК) позволяет при необходимости наращивать единичную емкость ТА без каких-либо ограничений, а многослойная конструкция теплоизоляции обеспечивает эффективное ограничение температуры внешних теплоотдающих поверхностей.The high thermal conductivity of the composite materials used (~ 100 W / m ^o K) allows, if necessary, to increase the TA unit capacity without any restrictions, and the multilayer thermal insulation design provides an effective limitation of the temperature of external heat-transfer surfaces.

На чертеже приведена конструкция теплового аккумулятора. The drawing shows the design of the heat accumulator.

Он состоит из теплоаккумулирующих элементов 1, изготовленных из композиционного материала, состоящего из жаростойкой керамики и гранул из Al-Si-сплава, в сквозное центральное отверстие 2 вставлен трубчатый электрических нагреватель 3. Монолитный блок из высокопористого бетона 4 служит первым слоем теплоизоляции. Сборка из теплоаккумулирующих элементов закреплена в металлическом контейнере с двойными стенками 5 и 6. Пространство между сборкой и стенками металлического контейнера заполнено высокоэффективной теплоизоляцией 7. В пространстве между внутренней и наружной металлическими стенками могут быть организованы каналы для съема запасенного тепла с помощью воздуха 8 и/или воды 9. В верхней части теплового аккумулятора находится теплоизолирующая съемная крышка 10, открывающая доступ к плоскому радиатору 11, служащему для приготовления пищи. It consists of heat-accumulating elements 1 made of a composite material consisting of heat-resistant ceramics and Al-Si alloy granules, a tubular electric heater 3 is inserted into the through central hole 2. A monolithic block of highly porous concrete 4 serves as the first thermal insulation layer. An assembly of heat-accumulating elements is fixed in a metal container with double walls 5 and 6. The space between the assembly and the walls of the metal container is filled with highly efficient thermal insulation 7. In the space between the inner and outer metal walls, channels can be arranged for removing the stored heat using air 8 and / or water 9. In the upper part of the heat accumulator there is a heat-insulating removable cover 10, which provides access to a flat radiator 11, which serves for cooking.

Работает тепловой аккумулятор следующим образом. При подключении электропитания к электрическим нагревателям в них происходит выделение тепла, которое передается окружающему композиционному материалу теплоаккумулирующего элемента. Материал, обладая высокой теплопроводностью, быстро разогревается. Гранулы, входящие в его состав, расплавляются. При этом аккумулируется теплота плавления, составляющая от 100 до 300 кВт•час/м³ термодинамически высокоэффективной энергии в зависимости от объемной доли гранул Al-Si-сплава в составе теплоаккумулирующих элементов без учета внутреннего теплосодержания. После полного их расплавления процесс накопления тепла заканчивается и электрические нагреватели отключаются. Запасенное тепло передается в помещение через слои теплоизоляции и излучается преимущественно фронтальными панелями. При необходимости увеличить тепловой поток используются каналы воздушного охлаждения и/или водяные радиаторы. По мере расходования запасенного тепла происходит затвердевание гранул Al-Si-сплава по направлению к центру теплоаккумулирующего элемента. После полного затвердевания гранул тепловой аккумулятор готов к повторному циклу.The thermal battery operates as follows. When the power supply is connected to electric heaters, heat is generated in them, which is transferred to the surrounding composite material of the heat storage element. The material, having high thermal conductivity, quickly warms up. The granules included in its composition are melted. In this case, the heat of fusion is accumulated, constituting from 100 to 300 kW • h / m ^{3 of} thermodynamically highly efficient energy, depending on the volume fraction of Al-Si alloy granules in the composition of heat-accumulating elements without taking into account the internal heat content. After their full melting, the process of heat accumulation ends and the electric heaters turn off. The stored heat is transferred to the room through the layers of insulation and is radiated mainly by the front panels. If necessary, increase the heat flow using air cooling channels and / or water radiators. As the stored heat is consumed, the granules of the Al-Si alloy solidify toward the center of the heat storage element. After the granules have completely solidified, the heat accumulator is ready for a second cycle.

Указанный тепловой аккумулятор изготавливается следующим образом. Теплоаккумулирующее вещество, содержащее гранулы выбранного состава Al-Si-сплава с объемным содержанием 30-70% замешивается вместе с керамической массой на основе окиси магния, формируется в виде цилиндрической заготовки с центральным отверстием и затем подвергается реакционному спеканию. Полученные таким образом элементы, по отдельности или в виде группы, заформовываются внутрь жаростойкого высокопористого бетона прямоугольной формы на основе легких с низкой собственной теплопроводностью материалов, выбранных из группы муллит, форстерит, шамот, перлит, вермикулит. Полученный блок вместе с вставленными электрическими нагревателями, теплоизоляцией устанавливается в металлическом контейнере с двойными стенками. При необходимости увеличить теплосъем организуются каналы для циркуляции теплоносителя (вода или воздух). The specified heat accumulator is made as follows. A heat storage substance containing granules of a selected composition of an Al-Si alloy with a volume content of 30-70% is mixed with a ceramic mass based on magnesium oxide, formed into a cylindrical billet with a central hole and then subjected to reaction sintering. The elements thus obtained, individually or as a group, are molded into heat-resistant, highly porous rectangular concrete based on lightweight materials with low intrinsic thermal conductivity, selected from the group of mullite, forsterite, chamotte, perlite, vermiculite. The resulting block, together with the inserted electric heaters, thermal insulation is installed in a metal container with double walls. If necessary, increase the heat removal channels are organized for the circulation of the coolant (water or air).

Claims

1. A heat storage element containing a substance melting at operating temperatures, characterized in that it is made in the form of a block with channels of a composite material containing a base of heat-resistant ceramic, in which granules of a hypereutectic alloy based on aluminum with silicon are distributed.

2. The element according to claim 1, characterized in that the composite material is made on the basis of magnesium oxide with granules of an alloy based on aluminum with 12.5 to 25.0 wt. silicon with a volumetric content of granules 30 70 vol.

3. A heat accumulator comprising a housing, inside which are heat storage elements that accumulate heat due to the heat of fusion, electric heaters, thermal insulation, characterized in that the heat storage element or group of heat storage elements according to claim 1 are mounted on heat insulators in a metal container with double walls so that the space between the assembly of heat-accumulating elements and the walls is filled with highly efficient thermal insulation, for example mineral wool and / or highly porous m heat-resistant concrete, and the space between the inner and outer walls is additionally used to organize natural or forced convection of the coolant.

4. The battery according to claim 3, characterized in that in its upper part an additional flat radiator is installed, which is closed on top by a removable heat-insulating cover.