RU2753067C1

RU2753067C1 - Heat storage device

Info

Publication number: RU2753067C1
Application number: RU2020140381A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Ефимович Ионов; Кирилл Андреевич Иванов
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар"
Priority date: 2020-12-08
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2021-08-11

Abstract

FIELD: heat engineering.

SUBSTANCE: heat storage device relates to the field of heat engineering, more specifically to heat storage devices that use the latent heat of phase transitions of the working substance to provide the required thermal regime of thermal energy sources during their cyclic operation, as well as their protection from short-term effects of external heat flows. The device contains a case 1 having cavities filled with a heat-storage phase-transition working substance 5, a plate 2, a cover 3 and a block of grids 4 rigidly attached to a plate 2, and two sources of thermal energy 1. In the design of the case 1, to enhance heat transfer to the heat storage substance 5, a block is used from a set of metal meshes 4 made of highly heat-conducting materials, for example, copper, located perpendicular to the heat-generating surface of the case 2 and fixed on it.

EFFECT: invention improves efficiency of heat transfer from the plate to the heat storage substance, improves the mass and size characteristics of the device, which is especially important for onboard equipment, maintains a constant value of enthalpy from cycle to cycle, increases reliability and technological simplicity of manufacturing.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области теплотехники, более конкретно к теплоаккумулирующим устройствам, использующим скрытую теплоту фазовых переходов рабочего вещества для обеспечения требуемого теплового режима источников тепловой энергии (ИТЭ) при их циклической работе, а также в качестве их защиты от кратковременных воздействий внешних тепловых потоков.The invention relates to the field of heat engineering, more specifically to heat storage devices that use the latent heat of phase transitions of the working substance to provide the required thermal regime of thermal energy sources (ITE) during their cyclic operation, as well as as their protection from short-term effects of external heat flows.

Теплоаккумулирующие устройства обеспечивают тепловой режим радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Благодаря теплоемкости корпусов устройств в них аккумулируется тепло наряду с использованием обратимых эндотермических процессов плавления рабочих веществ, сопровождающихся дополнительным поглощением тепла при фазовых превращениях этих веществ из твердого в жидкое состояние после достижения ими температуры фазового перехода. Такие устройства, как правило, представляют собой тонкостенные металлические емкости с гладкой или оребренной поверхностью, герметичный объем которых заполняется плавящимся рабочим веществом.Heat storage devices provide the thermal regime of radio electronic equipment (REA). Due to the heat capacity of the device cases, heat is accumulated in them along with the use of reversible endothermic processes of melting of working substances, accompanied by additional heat absorption during the phase transformations of these substances from a solid to a liquid state after they reach the phase transition temperature. Such devices, as a rule, are thin-walled metal containers with a smooth or ribbed surface, the sealed volume of which is filled with a melting working substance.

После окончания работы РЭА или прекращения воздействия пиковых внешних тепловых потоков происходит остывание рабочего вещества и его затвердевание вследствие теплообмена с окружающей средой. Время между повторными включениями РЭА должно быть таким, чтобы рабочее вещество успело полностью затвердеть к началу следующего цикла включения аппаратуры. Плавящееся рабочее вещество в устройстве располагается в емкостях или полостях, которые должны быть герметичными для предотвращения выливания из них расплавленной массы рабочего вещества. Обычно емкость выполняется из металлического корпуса с высокой теплопроводностью (чаще из алюминиевых сплавов), а ИТЭ или весь блок с РЭА размещаются снаружи или внутри емкости.After the end of the CEA operation or the cessation of the influence of the peak external heat fluxes, the working substance cools down and solidifies due to heat exchange with the environment. The time between repeated switching on of the electronic equipment should be such that the working substance has time to completely solidify by the beginning of the next cycle of switching on the equipment. The melting working substance in the device is located in containers or cavities, which must be sealed to prevent the molten mass of the working substance from pouring out of them. Typically, the container is made of a metal casing with high thermal conductivity (more often of aluminum alloys), and the ITE or the entire unit with electronic equipment is placed outside or inside the container.

В связи с тем что рабочее вещество изменяет свой объем в процессе работы, в конструкции устройства должна быть предусмотрена соответствующая компенсация изменения объема за счёт упругой деформации, например, стенок корпуса. Это может быть достигнуто применением для некоторых деталей корпуса (например, крышки корпуса) материалов с высокой характеристикой упругости (резина, полимеры).Due to the fact that the working substance changes its volume during operation, the design of the device should provide for appropriate compensation for the change in volume due to elastic deformation, for example, of the walls of the body. This can be achieved by using materials with a high elastic characteristic (rubber, polymers) for some parts of the body (for example, the body cover).

Известна конструкция теплоаккумулирующего устройства, герметичный корпус которого выполнен в виде радиатора из алюминиевого сплава, наполненного плавящимся рабочим веществом (в данном случае парафином) [В.А. Алексеев. Охлаждение радиоэлектронной аппаратуры с использованием плавящихся веществ. Под. Ред. А.В. Ревякина. М.: Энергия, 1975, стр.71-72]. С помощью такой конструкции осуществляется отвод тепла от полупроводниковых приборов.The known design of a heat storage device, a sealed body of which is made in the form of a radiator made of aluminum alloy, filled with a melting working substance (in this case, paraffin) [V.A. Alekseev. Cooling of electronic equipment using melting substances. Under. Ed. A.V. Revyakin. M .: Energy, 1975, pp. 71-72]. With this design, heat is removed from semiconductor devices.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является конструкция теплоаккумулирующего устройства (Патент RU 2306494, опубл. 20.09.2007), содержащего корпус, имеющий полости, заполненные теплоаккумулирующим фазопереходным рабочим веществом, в качестве рабочего вещества использована композиция формоустойчивого материала, у которого фазопереходное вещество не вытекает из объема этого материала после расплавления и пребывания в жидком состоянии в процессе перегрева, сообщающаяся с окружающей средой. Корпус теплоаккумулирующего устройства может быть выполнен в виде сотопанели или в виде радиатора.Closest to the proposed invention is the design of a heat storage device (Patent RU 2306494, publ. 09/20/2007), containing a housing having cavities filled with a heat-accumulating phase-transition working substance, as a working substance, a form-stable material composition is used, in which the phase-transition substance does not flow out of the volume this material, after melting and staying in a liquid state during overheating, communicates with the environment. The body of the heat storage device can be made in the form of a honeycomb panel or in the form of a radiator.

Основным недостатком вышеперечисленных конструкций является ограниченная возможность увеличения теплопередачи от металлической поверхности, передающей тепло от тепловыделяющего объекта к теплоаккумулирующему веществу без значительного ухудшения массогабаритных показателей, что ограничивает возможную передаваемую мощность и время аккумулирования тепла без перегрева объекта.The main disadvantage of the above structures is the limited possibility of increasing heat transfer from a metal surface that transfers heat from a heat-generating object to a heat-accumulating substance without significant deterioration in weight and dimensions, which limits the possible transmitted power and the time of heat accumulation without overheating the object.

Увеличение теплопередачи при других равных условиях в любых теплообменных аппаратах, в том числе теплоаккумулирующих, и при минимизации массогабаритных показателей является основным направлением совершенствования при их создании.An increase in heat transfer under other equal conditions in any heat exchangers, including heat-accumulating ones, and with minimization of weight and dimensions, is the main direction of improvement in their creation.

Задачами изобретения являются уменьшение массы и габаритов теплоаккумулирующего устройства за счёт значительного увеличения эффективности теплообмена, создания универсальной конструкции, позволяющей применение как обычного не формоустойчивого, так и формоустойчивого теплоаккумулирующего вещества. Причём следует понимать, что применение этих веществ даёт неодинаковые массогабаритные показатели теплоаккумулирующих устройств и других показателей, поэтому комплексный результат зависит от выбора теплоаккумулирующего вещества. The objectives of the invention are to reduce the mass and dimensions of the heat storage device due to a significant increase in the efficiency of heat transfer, creating a universal design that allows the use of both a conventional non-form-stable and form-stable heat-accumulating substance. Moreover, it should be understood that the use of these substances gives unequal weight and size indicators of heat storage devices and other indicators, therefore the complex result depends on the choice of heat storage substance.

Техническими результатами настоящего изобретения являются улучшение массогабаритных характеристик, что особенно актуально для аппаратуры специального назначения, сохранение постоянной величины энтальпии от цикла к циклу, повышение надежности и технологическая простота изготовления.The technical results of the present invention are the improvement of weight and size characteristics, which is especially important for special-purpose equipment, maintaining a constant value of enthalpy from cycle to cycle, increasing reliability and technological simplicity of manufacturing.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в конструкции теплоаккумулирующего устройства используется корпус, имеющий полости, заполненные теплоаккумулирующим фазопереходным рабочим веществом, два источника тепловой энергии, установленные на корпусе, плиту, крышку и блок сеток, жестко прикрепленных к плите. Для усиления теплопередачи к теплоаккумулирующему веществу применяется блок из набора параллельно расположенных сеток из высокотеплопроводных материалов, например, меди, плоскости сеток перпендикулярны тепловыделяющей поверхности, причём крепление сеток осуществлено на тепловыделяющей поверхности.The indicated technical results are achieved by the fact that the design of the heat storage device uses a housing having cavities filled with a heat storage phase-transition working substance, two sources of thermal energy installed on the housing, a plate, a cover and a block of grids rigidly attached to the plate. To enhance heat transfer to the heat storage substance, a block of a set of parallel grids made of highly heat-conducting materials, for example, copper, is used, the planes of the grids are perpendicular to the heat-generating surface, and the grids are fixed on the heat-generating surface.

Применение блока из сетки из материала с хорошей теплопроводностью позволяет значительно увеличить эффективность теплообмена и вследствие этого добиться улучшения массогабаритных показателей теплоаккумулятора, повысить допустимую подводимую к нему тепловую мощность и время аккумулирования тепла без перегрева тепловыделяющего объекта.The use of a block made of a mesh made of a material with good thermal conductivity can significantly increase the efficiency of heat exchange and, as a result, improve the mass and size indicators of the heat accumulator, increase the permissible thermal power supplied to it and the time of heat accumulation without overheating the heat-generating object.

Примеры выполнения предлагаемого устройства иллюстрируются чертежами, представленными на Фиг. 1, 2.Examples of the proposed device are illustrated by the drawings shown in FIG. 12.

На Фиг. 1 показан общий вид теплоаккумулирующего устройства с источниками тепловой энергии, установленными на корпусе, выполненном в виде блока из сетки.FIG. 1 shows a general view of a heat storage device with thermal energy sources installed on a housing made in the form of a grid block.

На Фиг. 2 показана схема теплоаккумулирующего устройства с источниками тепловой энергии в поперечном разрезе.FIG. 2 shows a diagram of a heat storage device with thermal energy sources in cross section.

На Фиг. 1 изображено теплоаккумулирующее устройство с источниками 1 тепловой энергии, установленными на корпусе, состоящем из плиты 2, крышки 3 и блока из сеток 4, жёстко прикреплённых к плите. Полость между плитой 2 и крышкой 3 заполнена теплоаккумулирующим веществом 5, равномерно распределённым между плоскостями сеток, имеющих прямоугольные ячейки, вытянутые в сторону от плиты 2, и проникающим в ячейки сеток. Параметры сеток (форма ячеек, их размер, сечение проволок) и блока сеток (расстояние между сетками) выбираются из условия обеспечения достижения максимальной эффективности теплопередачи от плиты к теплоаккумулирующему веществу при условии получения приемлемых массогабаритных параметров аккумулятора при требуемой аккумулируемой тепловой мощности и потребном времени аккумуляции без перегрева источника тепловой энергии. Как правило, при оптимальном выборе размеров сеток и расстояния между ними в блоке, эксплуатационные характеристики теплоаккумулятора повышаются и превосходят характеристики других конструкций по причине возможности организации значительно большей эффективности теплопередачи. Полость теплоаккумулятора может быть заполнена любым теплоаккумулирующим фазопереходным веществом, в том числе и формоустойчивым, расположенным между сетками в виде тонких пластин. При использовании формоустойчивого теплоаккумулирующего вещества оно располагается между сетками в виде пластин и удерживается от смещения в любую сторону за счёт фиксации его ячейками сеток, что является дополнительным преимуществом конструкции.FIG. 1 shows a heat storage device with heat energy sources 1 mounted on a body consisting of a plate 2, a cover 3 and a block of grids 4 rigidly attached to the plate. The cavity between the plate 2 and the cover 3 is filled with a heat-accumulating substance 5, evenly distributed between the planes of the grids, having rectangular cells elongated to the side of the plate 2, and penetrating into the cells of the grids. The parameters of the grids (the shape of the cells, their size, the cross-section of the wires) and the block of grids (the distance between the grids) are selected so that the maximum efficiency of heat transfer from the stove to the heat storage substance is achieved, provided that acceptable mass and size parameters of the battery are obtained with the required accumulated thermal power and the required accumulation time without overheating of the heat source. As a rule, with the optimal selection of the mesh sizes and the distance between them in the block, the operational characteristics of the heat accumulator increase and exceed the characteristics of other structures due to the possibility of organizing a much higher heat transfer efficiency. The cavity of the heat accumulator can be filled with any heat-accumulating phase-transition substance, including the form-stable one, located between the grids in the form of thin plates. When using a form-stable heat-accumulating substance, it is located between the grids in the form of plates and is kept from shifting in any direction due to its fixation with grid cells, which is an additional design advantage.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Корпус с блоком сеток и соприкасающееся с ними фазопереходное вещество нагреваются за счет тепла, получаемого от источников тепловой энергии. При достижении в присеточных слоях температуры плавления фазопереходное вещество начинает плавиться. Передача теплоты во внутренний объем фазопереходного вещества осуществляется посредством теплопроводности. При плавлении фазопереходное вещество поглощает количество теплоты, равное энергоемкости фазопереходного вещества при фазовом переходе и нагреве, при этом в объеме фазопереходного вещества находятся твердая и жидкая фазы, при этом граница раздела фаз подвижная, изменяющаяся во времени.The casing with the block of grids and the phase-transition substance in contact with them are heated due to the heat received from the sources of thermal energy. When the melting point in the grid layers is reached, the phase transition substance begins to melt. The transfer of heat into the internal volume of the phase transition substance is carried out by means of thermal conduction. Upon melting, the phase transition substance absorbs an amount of heat equal to the energy capacity of the phase transition substance during the phase transition and heating, while in the volume of the phase transition substance there are solid and liquid phases, while the phase interface is mobile, changing in time.

При выключении источников тепловой энергии происходит остывание фазопереходного вещества и его затвердевание за счет передачи теплоты от источников тепловой энергии и корпуса в окружающую среду за более длительный период времени. При этом выделяется количество теплоты, поглощенное теплоаккумулирующим устройством в период работы источников тепловой энергии.When the thermal energy sources are turned off, the phase-transition substance cools down and solidifies due to the transfer of heat from the thermal energy sources and the housing to the environment over a longer period of time. In this case, the amount of heat absorbed by the heat storage device is released during the period of operation of the heat energy sources.

Следует отметить, что габариты и масса теплоаккумулятора зависят от: мощности тепловыделения источников тепловой энергии, площади основания теплоаккумулятора, примыкающей к плите, и времени теплоаккумулирования. В сравнении с гипотетическим теплоаккумулятором, содержащим только парафин (в принципе в подавляющем большинстве случаев неосуществимым по причине низкой теплопроводности парафина), масса конструкции теплоаккумулятора (точнее теплоаккумулирующего блока), выполненного по предлагаемой схеме, будет ориентировочно на 25% больше, а объём на 13%. В сравнении с теплоаккумулятором, использующим массу корпуса РЭА из дюраля, предлагаемый термоаккумулятор будет в 5 раз легче и 1,6 раз меньше по объёму. Указанные выше сравнительные параметры теплоаккумулятора относятся к конкретной конструкции с определёнными исходными данными. Другие исходные данные (мощность, площадь, время) потребуют расчёта массогабаритных параметров и подбора параметров сеток и расстояния между ними.It should be noted that the dimensions and weight of the heat accumulator depend on: the heat release power of the heat energy sources, the base area of the heat accumulator adjacent to the stove, and the heat accumulation time. In comparison with a hypothetical heat accumulator containing only paraffin (in principle, in the overwhelming majority of cases, impracticable due to the low thermal conductivity of paraffin), the mass of the heat accumulator structure (more precisely, the heat accumulating unit), made according to the proposed scheme, will be approximately 25% more, and the volume by 13% ... In comparison with a heat accumulator using the mass of an electronic equipment body made of duralumin, the proposed thermal accumulator will be 5 times lighter and 1.6 times smaller in volume. The above comparative parameters of the heat accumulator refer to a specific design with certain initial data. Other initial data (power, area, time) will require the calculation of the mass and size parameters and the selection of the parameters of the grids and the distance between them.

Claims

A heat storage device consisting of a body with cavities filled with a heat storage phase-transition working substance, a plate, a cover and a block of grids rigidly attached to the plate, including two sources of thermal energy installed on the body, characterized in that the design of the body to enhance heat transfer a block of a set of metal grids made of highly heat-conducting materials, such as copper, located perpendicular to the heat-generating surface of the body and fixed to it, is applied to the heat storage substance.