RU2436020C1

RU2436020C1 - Heat accumulator

Info

Publication number: RU2436020C1
Application number: RU2010128229/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Лаврентьевич Наумов (RU); Александр Лаврентьевич Наумов; Сергей Федорович Серов (RU); Сергей Федорович Серов; Владимир Владимирович Ефремов (RU); Владимир Владимирович Ефремов; Николай Сергеевич Дегтярев (RU); Николай Сергеевич Дегтярев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "МИКТЕРМ"
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2011-12-10

Abstract

FIELD: power industry. ^ SUBSTANCE: heat accumulator includes container filled with heat-accumulating phase-transition medium, heat exchange elements arranged in container and tubes with heat carrier, which form coils and have direct contact to heat exchange elements; at that, heat exchange elements are made of metal grid, tubes with heat carrier are corrugated; metal grids with tubes form cassettes; heat carrier in tubes of adjacent cassettes is passed in opposite directions; space between cassettes is filled with metal heat-conducting structure; tubes of adjacent cassettes are located in staggered order; at that, ratio of distance between axes of adjacent tubes and diameter of tubes depending on heat conductivity coefficient of heat-accumulating phase-transition medium in solid state is determined by the specified formula. ^ EFFECT: increasing efficiency of charging-discharging process of accumulator and increasing power capacity of charge-discharge cycles. ^ 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к устройствам для аккумуляции тепла (холода), и может использоваться для аккумулирования тепловой энергии в системах теплоснабжения и холодной энергии в системах кондиционирования.The invention relates to the field of heat engineering, and in particular to devices for the accumulation of heat (cold), and can be used to accumulate thermal energy in heat supply systems and cold energy in air conditioning systems.

Известен теплоаккумулятор (SU №1239472, кл. F24H 7/04, опубл. 1986), содержащий корпус с пластинчатыми теплообменными элементами, образующими каналы, заполненные через один веществом фазового перехода, причем в корпусе со стороны торцов теплообменных элементов дополнительно установлены торцовые перегородки из теплопроводного материала, подвижные на участках каналов, заполненных веществом фазового перехода, и образующие полости, подключенные к источнику нагрева, а теплообменные элементы частично размещены внутри полости.A heat accumulator is known (SU No. 1239472, class F24H 7/04, publ. 1986), comprising a housing with plate heat-exchange elements forming channels filled through one phase transition substance, and end walls of heat-conducting elements are additionally installed in the housing from the ends of the heat-exchange elements material moving on the sections of channels filled with phase transition material and forming cavities connected to a heating source, and heat exchange elements are partially placed inside the cavity.

Известно изобретение, относящееся к способу работы аккумулятора тепла (SU №1288458, кл. F24H 7/00, опубл. 1987), заключающееся в поочередном пропускании параллельными потоками теплообменивающихся сред вдоль обеих поверхностей блоков, заполненных веществом, претерпевающим фазовые переходы при его нагревании и охлаждении, причем потоки каждой теплообменивающейся среды по обе стороны каждого блока пропускают во взаимно противоположных направлениях.A known invention relating to a method of operating a heat accumulator (SU No. 1288458, class F24H 7/00, publ. 1987), which consists in alternately passing parallel flows of heat-exchanging media along both surfaces of blocks filled with a substance that undergoes phase transitions when it is heated and cooled moreover, the flows of each heat-exchanging medium on both sides of each block are passed in mutually opposite directions.

Основным недостатком указанных аккумуляторов тепла является недостаточно динамичные зарядно-разрядные характеристики плоских каналов, заполненных веществом фазового перехода, что обусловлено отсутствием их непосредственного теплового контакта с теплоносителем, циркулирующим между пластинчатыми элементами, которые в данном случае представляют собой промежуточное термическое сопротивление. Кроме того, наличие незаполненных веществом фазового перехода плоских каналов снижает тепло-аккумулирующую способность теплоаккумулятора.The main disadvantage of these heat accumulators is the insufficiently dynamic charge-discharge characteristics of flat channels filled with phase transition material, which is due to the absence of their direct thermal contact with the coolant circulating between the plate elements, which in this case are intermediate thermal resistance. In addition, the presence of flat channels unfilled by the phase transition substance reduces the heat storage capacity of the heat accumulator.

Наиболее близким к заявленному является известный теплоаккумулятор (SU №1776931, кл. F24H 7/00, опубл. 1992), содержащий корпус с пластинчатыми теплообменными элементами, подключенными к циркуляционному контуру одного из теплоносителей и образующими между собой каналы, часть из которых заполнена веществом фазового перехода, при этом аккумулятор теплоты снабжен трубами, подключенными к контуру второго теплоносителя и установленными в упомянутых каналах с обеспечением контакта с теплообменными элементами, при этом оставшаяся часть каналов также заполнена веществом фазового перехода.Closest to the claimed is the known heat accumulator (SU No. 1776931, class F24H 7/00, publ. 1992), comprising a housing with plate heat-exchange elements connected to the circulation circuit of one of the heat carriers and forming channels between them, some of which are filled with phase material transition, while the heat accumulator is equipped with pipes connected to the circuit of the second coolant and installed in the said channels with contact with heat exchange elements, while the remaining part of the channels is also apolnena phase transition substance.

Недостатками известного аккумулятора тепла являются недостаточно динамичные зарядно-разрядные характеристики теплообмена, а также неравномерный отвод тепла в обогреваемое помещение из-за неравномерности температуры в объеме теплоаккумулирующего вещества.The disadvantages of the known heat accumulator are insufficiently dynamic charge-discharge characteristics of heat transfer, as well as uneven heat removal to the heated room due to temperature unevenness in the volume of the heat-accumulating substance.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности процесса зарядки-разрядки аккумулятора тепла за счет увеличения поверхности теплообмена между теплопередающей и теплоаккумулирующей средой, повышение интенсификации процесса зарядки аккумулятора за счет размещения в теплоаккумулирующей среде материалов с коэффициентом теплопроводности, превышающим коэффициент теплопроводности теплоаккумулирующего вещества, за счет чего увеличивается энергоемкость циклов заряд-разряд, а также за счет особенностей конструкции заявленного аккумулятора.The technical task of the invention is to increase the efficiency of the process of charging and discharging a heat accumulator by increasing the heat transfer surface between the heat transfer and heat storage medium, increasing the intensification of the battery charging process by placing materials with a heat conductivity coefficient in the heat storage medium that exceeds the heat conductivity coefficient of the heat storage substance, thereby increasing energy intensity of charge-discharge cycles, as well as due to features Design of the claimed battery.

Поставленная задача решена тем, что аккумулятор тепла содержит контейнер, заполненный теплоаккумулирующей средой фазового перехода, размещенные в контейнере теплообменные элементы и трубы с теплоносителем, образующие змеевики и имеющие непосредственный контакт с теплообменными элементами, причем теплообменные элементы выполнены из металлической сетки, трубы с теплоносителем выполнены гофрированными, металлические сетки с трубами образуют кассеты, теплоноситель в трубах соседних кассет пропускают в противоположных направлениях, пространство между кассетами заполнено металлической теплопроводной структурой, трубы соседних кассет расположены в шахматном порядке, причем соотношение расстояния между осями соседних труб и диаметра труб в зависимости от коэффициента теплопроводности теплоаккумулирующей среды фазового перехода в твердом состоянии определяется формулойThe problem is solved in that the heat accumulator comprises a container filled with a heat storage medium of a phase transition, heat exchange elements and pipes with a heat carrier placed in the container, forming coils and having direct contact with heat exchange elements, the heat exchange elements being made of metal mesh, the pipes with the heat carrier are corrugated , metal grids with pipes form cassettes, the coolant in the pipes of adjacent cassettes is passed in opposite directions, p the space between the cassettes is filled with a metal heat-conducting structure, the pipes of adjacent cassettes are staggered, and the ratio of the distance between the axes of adjacent pipes and the diameter of the pipes depending on the coefficient of thermal conductivity of the heat-accumulating medium of the phase transition in the solid state is determined by the formula

0,18<λ·ℓ/π·d<0,26,0.18 <λ · ℓ / π · d <0.26,

где λ - коэффициент теплопроводности теплоаккумулирующей среды фазового перехода, Вт/м·°С;where λ is the coefficient of thermal conductivity of the heat storage medium of the phase transition, W / m · ° C;

ℓ - расстояние между осями соседних труб, м;ℓ is the distance between the axes of adjacent pipes, m;

π - число, равное 3,14;π is a number equal to 3.14;

d - диаметр трубы, м.d - pipe diameter, m

Контейнер аккумулятора тепла выполнен из полиэтилена или стали с теплоизоляцией. Металлическая теплопроводная структура выполнена из стальной, алюминиевой, медной, латунной проволоки или проволочного плетения (путанки).The heat storage container is made of polyethylene or steel with thermal insulation. The metal heat-conducting structure is made of steel, aluminum, copper, brass wire or wire weaving (tangle).

Сущность изобретение поясняется подробнее чертежами и описанием к ним.The invention is illustrated in more detail by the drawings and description thereof.

На фиг.1 схематично изображен аккумулятор тепла, поперечный разрез; на фиг.2 - аккумулятор тепла, продольный разрез; на фиг.3 - аккумулятор тепла, вид сверху; на фиг.4 - аккумулятор тепла, разрез А-А на фиг.1.Figure 1 schematically shows a heat accumulator, a cross section; figure 2 - heat accumulator, a longitudinal section; figure 3 - heat accumulator, top view; figure 4 - heat accumulator, section aa in figure 1.

Аккумулятор тепла содержит контейнер (корпус) 1, выполненный из полиэтилена или тонкостенной стали и снабженный с внутренней стороны теплоизоляцией 2 (например, полистирол, к-flex и др.) и герметичной эластичной оболочкой (мембранный вкладыш) 3. Контейнер заполнен теплоаккумулирующей средой фазового перехода 4 (например, парафином). В контейнере размещены кассеты 5, образуемые из теплообменных элементов - металлических сеток 6 с закрепленными на них змеевиками из гофрированных труб 7 для теплоносителя, подсоединенных к коллектору 8. Теплоноситель в трубах соседних кассет пропускают в противоположных направлениях. Пространство между кассетами, а также между изгибами змеевика заполнено металлической теплопроводной структурой 9, выполненной из стальной, алюминиевой, медной, латунной проволоки или проволочного плетения (путанки). Трубы соседних кассет расположены в шахматном порядке, причем соотношение расстояния между осями соседних труб и диаметра труб в зависимости от коэффициента теплопроводности теплоаккумулирующей среды фазового перехода в твердом состоянии определяется формулой 0,18<λ·ℓ/π·d<0,26, где λ - коэффициент теплопроводности теплоаккумулирующей среды фазового перехода, Вт/м·°С; ℓ - расстояние между осями соседних труб, м; π - число, равное 3,14; d - диаметр трубы, м. Данная формула применима для суточного режима разрядки-зарядки.The heat accumulator contains a container (case) 1 made of polyethylene or thin-walled steel and provided with thermal insulation 2 on the inside (for example, polystyrene, k-flex, etc.) and a tight elastic shell (membrane insert) 3. The container is filled with a heat-accumulating phase transition medium 4 (e.g. paraffin). Cassettes 5 are formed in the container, which are formed from heat exchange elements - metal grids 6 with coils fixed on them from corrugated pipes 7 for heat carrier connected to the collector 8. The heat carrier in pipes of neighboring cassettes is passed in opposite directions. The space between the cassettes, as well as between the bends of the coil, is filled with a metal heat-conducting structure 9 made of steel, aluminum, copper, brass wire or wire weaving (tangle). The pipes of adjacent cassettes are staggered, and the ratio of the distance between the axes of adjacent pipes and the diameter of the pipes depending on the coefficient of thermal conductivity of the heat-accumulating medium of the phase transition in the solid state is determined by the formula 0.18 <λ · ℓ / π · d <0.26, where λ - coefficient of thermal conductivity of the heat storage medium of the phase transition, W / m · ° C; ℓ is the distance between the axes of adjacent pipes, m; π is a number equal to 3.14; d - pipe diameter, m. This formula is applicable for the daily discharge-charge mode.

Аккумулятор тепла работает следующим образом.The heat accumulator operates as follows.

В режиме зарядки аккумулятора тепла теплоноситель (горячая вода) через подающий и обратный коллекторы 8 подается в гофрированные трубы змеевиков 7, приваренных к металлическим сеткам теплообменных элементов 6, образующих кассеты 5. Трубы соседних кассет расположены в шахматном порядке с определенным соотношением расстояния между осями соседних труб и их диаметром. При этом трубы соседних кассет подключены к коллектору таким образом, что течение теплоносителя (горячей воды) в них осуществляется во взаимно противоположных направлениях. Поток теплоносителя протекает по змеевику и через гофрированную поверхность труб отдает тепло теплоаккумулирующей среде фазового перехода 4. Теплоаккумулирующая среда фазового перехода 4 плавится, аккумулируя подводимое тепло. Металлическая сетка 6 имеет коэффициент теплопроводности выше, чем коэффициент теплопроводности теплоаккумулирующей среды, в связи с чем процесс зарядки аккумулятора происходит быстрее. Интенсификация процесса зарядки аккумулятора тепла также значительно возрастает за счет размещения в объеме теплоаккумулирующей среды металлической теплопроводной структуры 9, имеющей коэффициент теплопроводности выше коэффициента теплопроводности теплоаккумулирующей среды (λ). Теплопроводная структура выполнена из стальной, алюминиевой, медной, латунной проволоки или проволочного плетения (путанки) и занимает примерно 8-10% объема теплоаккумулирующей среды.In the charging mode of the heat accumulator, the heat carrier (hot water) is supplied through the supply and return manifolds 8 to the corrugated pipes of the coils 7 welded to the metal grids of the heat exchange elements 6 forming the cassettes 5. The pipes of the neighboring cassettes are staggered with a certain ratio of the distance between the axes of the neighboring pipes and their diameter. In this case, the pipes of adjacent cassettes are connected to the collector in such a way that the coolant (hot water) flows in them in mutually opposite directions. The coolant flow flows through the coil and through the corrugated surface of the pipes gives off heat to the heat-accumulating medium of the phase transition 4. The heat-accumulating medium of the phase transition 4 melts, accumulating the supplied heat. The metal mesh 6 has a thermal conductivity coefficient higher than the thermal conductivity coefficient of the heat storage medium, and therefore the battery charging process is faster. The intensification of the process of charging the heat accumulator also increases significantly due to the placement in the volume of the heat-storage medium of a metal heat-conducting structure 9 having a heat conductivity coefficient higher than the heat conductivity coefficient of the heat-accumulating medium (λ). The heat-conducting structure is made of steel, aluminum, copper, brass wire or wire weaving (tangle) and occupies about 8-10% of the volume of the heat-accumulating medium.

Зарядка аккумулятора тепла, как правило, производится в ночное время при пониженных тарифах на электроэнергию, разрядка - в дневные часы.As a rule, the heat accumulator is charged at night with reduced electricity tariffs, and discharged during the day.

В режиме разрядки аккумулятора тепла холодная вода прокачивается через гофрированные трубы змеевиков 7, постепенно отбирая скрытое тепло фазового перехода у теплоаккумулирующей среды 4. Нагретая таким образом вода поступает потребителю. Теплоаккумулирующая среда изменяет свое агрегатное состояние, при этом металлические сетки теплообменных элементов 6 и металлическая теплопроводная структура 9 способствуют более равномерному отбору скрытого тепла, не допуская зон застоя. Этому же способствует размещение труб на соседних кассетах в шахматном порядке и протекание теплоносителя в трубах соседних кассет в противоположном направлении.In the mode of discharging the heat accumulator, cold water is pumped through the corrugated pipes of the coils 7, gradually taking the latent heat of the phase transition from the heat-accumulating medium 4. The water thus heated is supplied to the consumer. The heat-accumulating medium changes its state of aggregation, while the metal grids of the heat exchange elements 6 and the metal heat-conducting structure 9 contribute to a more uniform selection of latent heat, avoiding stagnation zones. This is also facilitated by the placement of pipes on adjacent cassettes in a checkerboard pattern and the flow of coolant in the pipes of adjacent cassettes in the opposite direction.

Гофрированный профиль труб с теплоносителем не только увеличивает поверхность контакта теплоносителя и теплоаккумулирующей среды, но и способствует улучшению теплообмена за счет образования турбулентных вихрей на кольцевых выступах и впадинах гофрированного профиля. Кроме того, гофрированная труба компенсирует температурную деформацию, возникающую в процессе зарядки и разрядки аккумулятора тепла.The corrugated profile of the pipes with the coolant not only increases the contact surface of the coolant and the heat storage medium, but also improves heat transfer due to the formation of turbulent vortices on the annular protrusions and depressions of the corrugated profile. In addition, the corrugated pipe compensates for temperature deformation that occurs during charging and discharging of the heat accumulator.

Наличие металлических сеток и металлической теплопроводной структуры способствуют более полному и равномерному фазовому переходу теплоаккумулирующего вещества. Этому же способствует направление течения теплоносителя в гофрированных трубах соседних кассет противотоком благодаря тому, что в одном участке (объеме) контейнера расположены соседние кассеты, на одной из которых в гофрированную трубу втекает более нагретый теплоноситель (при зарядке аккумулятора), а на соседней кассете в этом же участке (объеме) контейнера из гофрированной трубы вытекает теплоноситель, частично отдавший тепловую энергию теплоаккумулирующему веществу.The presence of metal grids and a metal heat-conducting structure contribute to a more complete and uniform phase transition of the heat-accumulating substance. This is also facilitated by the direction of the flow of coolant in the corrugated pipes of adjacent cassettes in countercurrent due to the fact that adjacent cassettes are located in one section (volume) of the container, on one of which a warmer coolant flows into the corrugated pipe (when charging the battery), and on the neighboring cassette in this in the same section (volume) of the container, a coolant flows out of the corrugated pipe, partially transferring thermal energy to the heat-accumulating substance.

Соотношение расстояния между осями соседних труб и диаметра труб в зависимости от коэффициента теплопроводности теплоаккумулирующей среды фазового перехода в твердом состоянии определяется формулойThe ratio of the distance between the axes of adjacent pipes and the diameter of the pipes depending on the coefficient of thermal conductivity of the heat-accumulating medium of the phase transition in the solid state is determined by the formula

0,18 < λ (Вт/м·°C) ·ℓ (м) / π · d(м) < 0,260.18 <λ (W / m · ° C) · ℓ (m) / π · d (m) <0.26

Повышение соотношения более 0,26 нецелесообразно, поскольку снижается интенсивность процесса зарядки аккумулятора, аккумулятор не успеет зарядиться за ночь. Снижение соотношения менее 0,18 также нецелесообразно, поскольку для поддержания необходимой эффективности процесса пришлось бы увеличить плотность труб, однако в этом случае снижается объем теплоаккумулирующей среды (ТАМ).Increasing the ratio of more than 0.26 is impractical, since the intensity of the battery charging process decreases, the battery will not have time to charge overnight. A decrease in the ratio of less than 0.18 is also impractical, since in order to maintain the necessary process efficiency it would be necessary to increase the density of the pipes, however, in this case the volume of the heat-accumulating medium (TAM) decreases.

Предложенный аккумулятор тепла может быть использован также и в качестве аккумулятора холода, например, в системах кондиционирования воздуха. Зарядка аккумулятора холода осуществляется в ночное время при пониженных тарифах на электроэнергию, разрядка - в дневные часы. Принцип работы заявленного аккумулятора в качестве аккумулятора холода состоит в следующем: на стадии зарядки теплоноситель, протекающий по трубам, отбирает тепло у теплоаккумулирующей среды (среды фазового перехода), например, парафина, переводя его в твердое состояние. В дневное время используют холод, получаемый от плавления теплоаккумулирующей среды, аккумулятор разряжается.The proposed heat accumulator can also be used as a cold accumulator, for example, in air conditioning systems. The cold accumulator is charged at night with reduced electricity tariffs, and discharged during the day. The principle of operation of the claimed battery as a cold accumulator is as follows: at the stage of charging, the coolant flowing through the pipes removes heat from the heat-accumulating medium (phase transition medium), for example, paraffin, turning it into a solid state. In the daytime, use the cold obtained from the melting of the heat storage medium, the battery is discharged.

Таким образом, предложенный аккумулятор тепла (холода) способствует повышению эффективности процесса зарядки-разрядки аккумулятора за счет увеличения поверхности теплообмена между теплопередающей и теплоаккумулирующей средой, интенсифицирует процесс зарядки-разрядки аккумулятора за счет размещения в теплоаккумулирующей среде материалов с коэффициентом теплопроводности, превышающим коэффициент теплопроводности теплоаккумулирующего вещества, что в свою очередь увеличивает энергоемкость циклов заряд-разряд. Достигнутые результаты позволяют рекомендовать заявленное изобретение для широкого внедрения в различных областях теплоснабжения с аккумулированием тепла и системах кондиционирования с аккумулированием холода.Thus, the proposed heat (cold) battery improves the efficiency of the battery charge-discharge process by increasing the heat exchange surface between the heat transfer and heat-storage medium, intensifies the battery charge-discharge process by placing materials with a heat conductivity coefficient in excess of the heat conductivity coefficient of the heat-accumulating substance , which in turn increases the energy intensity of charge-discharge cycles. The achieved results make it possible to recommend the claimed invention for widespread implementation in various fields of heat supply with heat storage and air conditioning systems with cold storage.

Claims

1. A heat accumulator containing a container filled with a heat storage medium of a phase transition, heat exchange elements and pipes with a heat transfer agent, coils forming in the container, and having direct contact with heat transfer elements, characterized in that the heat transfer elements are made of metal mesh, the heat transfer pipes are made of corrugated , metal grids with pipes form cassettes, the coolant in the pipes of adjacent cassettes is passed in opposite directions, the space between the cassettes are filled with a metal heat-conducting structure, the pipes of the neighboring cassettes are staggered, and the ratio of the distance between the axes of the adjacent pipes and the diameter of the pipes depending on the coefficient of thermal conductivity of the heat-accumulating medium of the phase transition in the solid state is determined by the formula
0.18 <λ · ℓ / π · d <0.26,
where λ is the coefficient of thermal conductivity of the heat storage medium of the phase transition, W / m · ° C;
ℓ is the distance between the axes of adjacent pipes, m;
π is a number equal to 3.14;
d - pipe diameter, m

2. The heat accumulator according to claim 1, characterized in that the container is made of polyethylene or steel with thermal insulation.

3. The heat accumulator according to claim 2, characterized in that the metal heat-conducting structure is made of steel, aluminum, copper, brass wire or wire weaving (tangle).