[go: up one dir, main page]

WO2020022936A1 - Heat energy storage device with regulated heat output at a constant temperature - Google Patents

Heat energy storage device with regulated heat output at a constant temperature Download PDF

Info

Publication number
WO2020022936A1
WO2020022936A1 PCT/RU2019/000492 RU2019000492W WO2020022936A1 WO 2020022936 A1 WO2020022936 A1 WO 2020022936A1 RU 2019000492 W RU2019000492 W RU 2019000492W WO 2020022936 A1 WO2020022936 A1 WO 2020022936A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat
heat exchanger
temperature
collector
spiral
Prior art date
Application number
PCT/RU2019/000492
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Сергей Игоревич БАРЦЕВ
Виктор Александрович ОХОНИН
Валерий Михайлович ПОДЛЕСНЫЙ
Александр Семенович ФЕДОРОВ
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Мекад"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Мекад" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Мекад"
Publication of WO2020022936A1 publication Critical patent/WO2020022936A1/en

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24HFLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H7/00Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release
    • F24H7/02Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release the released heat being conveyed to a transfer fluid
    • F24H7/04Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release the released heat being conveyed to a transfer fluid with forced circulation of the transfer fluid

Definitions

  • the invention relates to a physical method of accumulating thermal energy and can be used to generate electricity using a thermoelectric converter or a heat engine (Stirling engine, steam engine, steam turbine, etc.), as well as for hot water supply, heating, etc.
  • TM solid heat-storage materials
  • TA thermal accumulator
  • the discharge side of the heat exchanger further comprises a heater located in the heat storage material, and a cavity in the ground is used as a reservoir.
  • the disadvantage of this TA is that in the process of heat transfer the temperature of the coolant at the outlet of the heat exchanger (on the discharge side) changes from the maximum temperature of the TM to the minimum, which reduces the efficiency of using the TA, as well as the fact that there are large heat losses on the walls of the battery due to their high temperature.
  • the device comprises a housing filled with a phase transition substance with heat-conducting inclusions and a heat exchanger pipe, which has a cochlear shape from the coolant channels.
  • the temperature constancy of the heated medium at the outlet of the battery-heat exchanger is achieved by the fact that only the outer pipe with the heated medium is in contact with the substance of the phase transition. Chilled pipe corrugated and has the form for intensifying heat transfer.
  • a flow control valve is located, which automatically regulates the flow flow without the use of electricity.
  • this heat accumulator has insufficient thermal energy storage capacity due to the use of TM, in which heat is stored only due to the heat of the phase transition.
  • Known battery of thermal energy [Patent RU 2626922, IPC F24H7 / 04, publ. 08/02/2017 Bull.Zh22], containing the reservoir, which is a cavity in the ground, filled with solid storage medium, as well as charging and discharge heat exchangers with a heat carrier, connected to the source and consumer of thermal energy, respectively, while the reservoir has thermal and hydraulic isolation from the external environment, and the inside the volume of the tank is divided by horizontal hydro- and heat-insulating partitions into separate sections, each of which has its own section of the charging and discharge circuit with a coolant, and discharge and The main circuits of each hydro- and thermally insulated section are connected to the discharge and charge collectors.
  • the disadvantage of this heat accumulator is that in the process of heat transfer, the temperature of the heat carrier at the outlet of the heat exchanger (in the discharge manifold) changes from the maximum temperature of the TM to the minimum, which reduces the efficiency of using TA, and also that it is designed for seasonal storage of thermal energy, with large TM volume and a small temperature difference during heat storage, which leads to a low specific thermal energy of this battery and to the inefficiency of using heat engines (Steer branding, etc.) to transform the stored heat into electricity.
  • the technical problem of the invention is the creation of a reliable and stable thermal energy accumulator with a simple design, which allows for controlled heat removal from the hot heat collector at a constant high temperature and having low heat loss due to the low temperature of the external walls of the battery.
  • the solution to this problem is achieved in that in a heat energy accumulator with controlled heat transfer at a constant temperature, containing a tank having thermal insulation filled with a solid storage medium, as well as main and external heat exchangers with a heat carrier, connected to a source and consumer of heat energy, respectively, according to the invention , the main heat exchanger is made in the form of a spiral diverging from the central axial part to the walls of the tank and additionally periodically curved in the direction and the axis of the tank, the central part of the spiral is connected to the collector of the hot coolant that returns to the heat at a constant temperature is connected to an external heat exchanger connected in turn with the periphery of the helix through the collector cold coolant.
  • the coil of the heat exchanger can be made in the form of a multi-start spiral with the number of starts N> 1. And also the fact that between the turns of the main heat exchanger a heat-insulating screen (s) is installed in the form of a spiral with the number of entries N> 1.
  • thermal energy accumulator with adjustable heat transfer at a constant temperature allows for controlled heat removal in a hot coolant collector at a high constant temperature without the use of heat-storage material using phase transition heat, while ensuring simplicity of design, reliability and stability, high density of stored energy as well as low heat loss.
  • figure 1 presents a schematic diagram of the proposed thermal battery
  • FIG. 2 is a plan view of a heat accumulator
  • FIG. Figure 4 shows the dependence of the temperature of the TM on the radius in the working area of the heat accumulator.
  • the thermal energy accumulator with adjustable heat transfer at a constant temperature consists of a cylindrical tank with double walls of the housing 1 (Fig. 1, 2), the space between which is filled with mineral insulation 2. Inside the tank is filled with powder or granular heat-accumulating material 3, which sand can be selected, and the closed main heat exchanger 4, which consists of a metal tube bent in the form of a spiral (Fig. 2), diverging from the central the axial part of the battery to its periphery - the walls of the tank 1 and additionally periodically bent in the direction of the axis of the tank, which leads to a complete and uniform coverage of the entire volume of the TM heat exchanger tubes. To reduce the diameter of the tubes of the main heat exchanger and accelerate heat exchange with it while maintaining the thermal power of the battery, the heat exchanger spiral can be made in the form of a multi-start spiral with the number of starts N> 1.
  • the central part of the heat exchanger is connected to the collector of the hot heat carrier 5, which is connected to an external heat exchanger 6, in which heat is transferred to the consumer of heat energy 7.
  • the output of the external heat exchanger 6 with a cooled heat carrier is connected through valves 15 and the pump 14 to the peripheral part of the main heat exchanger 4 through a cold heat collector 8.
  • the geometric parameters of the heat exchanger are calculated for each set of source materials depending on the thermal capacity of the battery. Copper is used as the material of the tubes of the heat exchanger due to its high thermal conductivity, low cost, as well as chemical inertness and resistance to alkali.
  • a liquid coolant circulates inside the heat exchanger, which can be used liquid caustic soda (NaOH) (operating temperature up to 1350 ° C), liquid sodium (melting point 98 ° C), which can be heated to a temperature of 850 ° C, mineral oil, ( operating temperature up to 300 ° ⁇ ), the family of silicone high-temperature heat carriers Thermo lan (operating temperature up to 330 ° ⁇ ), etc.
  • NaOH liquid caustic soda
  • sodium melting point 98 ° C
  • mineral oil operating temperature up to 300 ° ⁇
  • Thermo lan operating temperature up to 330 ° ⁇
  • the spiral part of the heat exchanger is heated using ohmic heat generated by applying the required voltage to the tubes of the heat exchanger from the low-voltage transformer 9 between points of the hot collector 10 and the cold collector 8.
  • the pipe of the hot collector is separated by a dielectric tion insert 12.
  • ohmic heating is applied by applying the necessary voltage from the low-voltage transformer 9 to the points 10 and 11 maximally spaced on the hot collector.
  • 1 shows a low voltage transformer 9 and both heat exchanger heating circuits.
  • an induction or other high-temperature low-flow pump 14 is used with the possibility of reverse flow.
  • the cycle of the device can be divided into three phases.
  • the coolant is heated to a high temperature T1 by ohmic heating of the hot collector heat carrier 5.
  • the coolant heated to a temperature T1 by means of a pump 14 starts to be pumped from the central part of the TA from the hot collector 5 to the periphery of the TA.
  • the heat exchange material is heated, transferring heat to the surrounding TM and warming it to temperature T1.
  • This TA charging technology is fundamentally important in the case of using an energy source with a borehole operating mode during the TA charging period, since It allows storing thermal energy in the TM at a stable high temperature T1.
  • the heating ceases, and the heat transfer unit either passes into the second phase of thermal energy storage, or switches to the third phase, the discharge phase of the thermal energy.
  • the valves of the shutoff valves 15 are locked, blocking the heat flux through the movement of the coolant in the pipes.
  • the external heat exchanger 6 due to the low heat capacity, quickly cools to ambient temperature TK, thereby not transferring heat to the consumer of thermal energy 7.
  • the presence of thermal insulation in the form of mineral insulation 2 reduces the heat loss of TA.
  • thermal energy is transferred to the external consumer 7.
  • the valves of the shutoff valves 15 open, the coolant is pumped back through the pump 14 at the required speed from the cold coolant collector 8 to the hot coolant collector 5.
  • the heat stored in the heated coolant to a temperature T1 it is given to an external consumer of thermal energy 7 by means of its thermal contact through an external heat exchanger 6.
  • a coolant cooled to a temperature T2 from external heat exchanger 6 is transferred to the peripheral zone of the heat accumulator, displacing the coolant heated to a temperature T1 closer to the central zone of the accumulator.
  • the movement of the heat carrier from the collector of the hot heat carrier 5 to the collector of the cold heat carrier 8 through an external heat exchanger 6 provides the relative stability of the temperature of the heat carrier T1 at the outlet of the TA to the heat-consuming equipment.
  • the temperature distribution gradient from time to time sharply changes from T2 in the peripheral region to T1 in the central region, Fig. 4.
  • the low temperature T2 will remain on the walls of the tank 1, significantly reducing the heat loss of the TA.
  • the heat accumulator is equipped with a control unit 16, which controls the shut-off valves 15 and the speed of movement of the coolant inside the tubes by controlling the power of the pump 14 and the direction of flow of the coolant.
  • the inputs of the device 16 are connected to the outputs of the temperature sensors 17, detecting the distribution of temperature values along the radius inside the TM volume, with the pump control unit 16 and shut-off valves 15.
  • control unit 16 For visual control of the stored and supplied heat energy, as well as operating modes, the control unit 16 is equipped with a display 18.
  • insulating screen (s) 19 (Fig. 2 and 3) in the form of a spiral with the number of visits equal to or greater than 1, which (e) slows down the process of movement of heat from the central hot region with the 5 TA collector to the cold walls of the housing 1 through direct thermal conductivity of the TM.
  • the claimed battery of thermal energy with adjustable heat transfer at a constant temperature has a high efficiency due to the possibility of using high-temperature operation up to 1000 ° C, depending on the selected type of coolant.
  • the coil of the heat exchanger can be made in the form of a multi-start spiral with the number of starts N> 1 and between the turns of the main heat exchanger can be installed heat-insulating screen (s) in the form of a spiral with the number of starts N> 1.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

The invention relates to a physical method for storing heat energy at a high temperature. A heat energy storage device with regulated heat output at a constant temperature comprises a reservoir (1) having heat insulation (2) and being filled with a heat storage material (3), and also a main heat exchanger (4) and an external heat exchanger (6) with a heat transfer agent, which are connected to a source and to a consumer of heat energy (7). The main heat exchanger (4) is configured in the form of a helix which extends from a central axial part to the walls of the reservoir (1) and additionally periodically bends in the direction of the axis of the reservoir. The central part of the helix is connected to a hot heat transfer agent collector (5) which, for the output of heat at a constant temperature, is connected to the external heat exchanger (6) which is connected in turn to the peripheral part of the helix via a cold heat transfer agent collector (8). The invention makes it possible to carry out the regulated extraction of heat from the hot heat transfer agent collector at a constant high temperature, and also exhibits low heat losses.

Description

Аккумулятор тепловой энергии с регулируемой теплоотдачей при постоянной температуре  Thermal energy storage battery with adjustable heat dissipation at constant temperature
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ FIELD OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к физическому методу аккумулирования тепловой энергии и может быть использовано для получения электроэнергии с помощью термоэлектрического преобразователя или тепловой машины (двигатель Стирлинга, паровая машина, паровая турбина и др.), а также для горячего водоснабжения, отопления и т.д.  The invention relates to a physical method of accumulating thermal energy and can be used to generate electricity using a thermoelectric converter or a heat engine (Stirling engine, steam engine, steam turbine, etc.), as well as for hot water supply, heating, etc.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ  PREVIOUS LEVEL
Известен тепловой аккумулятор [Патент RU2027119, МПК F24H7/00, опубл. 20.01.1995г.], в котором предложен тепловой накопитель солнечной энергии с использованием в качестве теплоаккумулирующей среды дешевых твердых теплоаккумулирующих материалов (ТМ) на основе каменных пород, негорючих твердых отходов, вскрышных пород горнодобывающей промышленности. При этом решается задача создания теплового аккумулятора (ТА), способного отдавать тепло в течение длительного времени. Достигается это тем, что в ТА, содержащем резервуар, заполненный уложенным вразброс теплоаккумулирующим материалом, также используется теплообменник, состоящий из двух частей, где зарядная сторона подключена к солнечным коллекторам, а разрядная сторона - к паросиловой части солнечной электростанции. Согласно изобретению, разрядная сторона теплообменника содержит дополнительно размещенный в теплоаккумулирующем материале нагреватель, а в качестве резервуара использована полость в грунте.  Known thermal battery [Patent RU2027119, IPC F24H7 / 00, publ. 01/20/1995], which proposed a thermal storage of solar energy using cheap solid heat-storage materials (TM) based on rock, non-combustible solid waste, and overburden mining as a heat storage medium. This solves the problem of creating a thermal accumulator (TA), capable of transferring heat for a long time. This is achieved by the fact that in a TA containing a tank filled with scattered heat-accumulating material, a two-part heat exchanger is also used, where the charging side is connected to the solar collectors and the discharge side to the steam-powered part of the solar power station. According to the invention, the discharge side of the heat exchanger further comprises a heater located in the heat storage material, and a cavity in the ground is used as a reservoir.
Недостатком данного ТА является то, что в процессе теплоотдачи температура теплоносителя на выходе теплообменника (в разрядной стороне) меняется от максимальной температуры ТМ до минимальной, что снижает эффективность использования ТА, а также то, что в нем происходят большие тепловые потери на стенках аккумулятора ввиду их высокой температуры.  The disadvantage of this TA is that in the process of heat transfer the temperature of the coolant at the outlet of the heat exchanger (on the discharge side) changes from the maximum temperature of the TM to the minimum, which reduces the efficiency of using the TA, as well as the fact that there are large heat losses on the walls of the battery due to their high temperature.
Известна полезная модель [п.м. RU 145327, МПК F24H7/00, опубл. 20.09.2014г., бюл. N°26], в которой устройство содержит корпус, заполненный веществом фазового перехода с теплопроводными включениями и трубы теплообменника, который имеет улиткообразную форму из каналов теплоносителя. Температурное постоянство нагреваемой среды на выходе из аккумулятора- теплообменника достигается тем, что с веществом фазового перехода соприкасается только наружная труба с нагреваемой средой. Труба с охлаждаемой средой гофрирована и имеет форму для интенсификации теплообмена. На входе-выходе трубы теплоносителя в аккумуляторе-теплообменнике расположен клапан регулирования потока, который автоматически регулирует поступление потока без применения электричества. Known utility model [m RU 145327, IPC F24H7 / 00, publ. 09/20/2014, bull. N ° 26], in which the device comprises a housing filled with a phase transition substance with heat-conducting inclusions and a heat exchanger pipe, which has a cochlear shape from the coolant channels. The temperature constancy of the heated medium at the outlet of the battery-heat exchanger is achieved by the fact that only the outer pipe with the heated medium is in contact with the substance of the phase transition. Chilled pipe corrugated and has the form for intensifying heat transfer. At the inlet-outlet of the coolant pipe in the accumulator-heat exchanger, a flow control valve is located, which automatically regulates the flow flow without the use of electricity.
Однако данный тепловой аккумулятор имеет недостаточную мощность хранения тепловой энергии из-за использования ТМ, в котором тепло хранится только за счет теплоты фазового перехода.  However, this heat accumulator has insufficient thermal energy storage capacity due to the use of TM, in which heat is stored only due to the heat of the phase transition.
Известен аккумулятор тепловой энергии [Патент RU 2626922, МПК F24H7/04, опубл. 02.08.2017г. Бюл.Ж22], содержащий резервуар, являющийся полостью в грунте, заполненный твердой аккумулирующей средой, а также зарядный и разрядный теплообменники с теплоносителем, подключенные к источнику и потребителю тепловой энергии соответственно, при этом резервуар имеет тепловую и гидравлическую изоляцию от внешней среды, а внутренний объем резервуара разделен горизонтальными гидро- и теплоизолирующими перегородками на отдельные секции, каждая из которых имеет свой участок зарядного и разрядного контура с теплоносителем, причем разрядные и зарядные контуры каждой гидро- и теплоизолированной секции соединены в разрядный и зарядный коллекторы.  Known battery of thermal energy [Patent RU 2626922, IPC F24H7 / 04, publ. 08/02/2017 Bull.Zh22], containing the reservoir, which is a cavity in the ground, filled with solid storage medium, as well as charging and discharge heat exchangers with a heat carrier, connected to the source and consumer of thermal energy, respectively, while the reservoir has thermal and hydraulic isolation from the external environment, and the inside the volume of the tank is divided by horizontal hydro- and heat-insulating partitions into separate sections, each of which has its own section of the charging and discharge circuit with a coolant, and discharge and The main circuits of each hydro- and thermally insulated section are connected to the discharge and charge collectors.
Недостатком данного теплового аккумулятора является то, что в процессе теплоотдачи температура теплоносителя на выходе теплообменника (в разрядном коллекторе) меняется от максимальной температуры ТМ до минимальной, что снижает эффективность использования ТА, а также то, что он рассчитан для сезонного хранения тепловой энергии, с большим объемом ТМ и небольшим перепадом температуры при теплоаккумулировании, что приводит к малой удельной тепловой энергии данного аккумулятора и к неэффективности использования тепловых двигателей (Стирлинга и др) для трансформирования запасенного тепла в электроэнергию.  The disadvantage of this heat accumulator is that in the process of heat transfer, the temperature of the heat carrier at the outlet of the heat exchanger (in the discharge manifold) changes from the maximum temperature of the TM to the minimum, which reduces the efficiency of using TA, and also that it is designed for seasonal storage of thermal energy, with large TM volume and a small temperature difference during heat storage, which leads to a low specific thermal energy of this battery and to the inefficiency of using heat engines (Steer branding, etc.) to transform the stored heat into electricity.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ  SUMMARY OF THE INVENTION
Технической задачей решаемой изобретением является создание надежного и стабильного аккумулятора тепловой энергии с простой конструкцией, которая позволяет производить регулируемый отбор тепла из коллектора горячего теплоносителя при постоянной высокой температуре и обладающем низкими тепловыми потерями благодаря низкой температуре внешних стенок аккумулятора. Решение этой задачи достигается тем, что в аккумуляторе тепловой энергии с регулируемой теплоотдачей при постоянной температуре, содержащем резервуар, имеющий тепловую изоляцию, заполненный твердой аккумулирующей средой, а также основной и внешний теплообменники с теплоносителем, подключенные к источнику и потребителю тепловой энергии соответственно, согласно изобретению, основной теплообменник выполнен в виде спирали, расходящейся от центральной осевой части к стенкам резервуара и дополнительно периодически изогнутой в направлении оси резервуара, при этом центральная часть спирали соединена с коллектором горячего теплоносителя, который для отдачи тепла при постоянной температуре соединен с внешним теплообменником, соединенным в свою очередь с периферийной частью спирали через коллектор холодного теплоносителя. А также тем, что спираль теплообменника может быть выполнена в виде многозаходной спирали с числом заходов N>1. А также тем, что между витками основного теплообменника установлен теплоизолирующий экран(ы) в виде спирали с числом заходов N>1. The technical problem of the invention is the creation of a reliable and stable thermal energy accumulator with a simple design, which allows for controlled heat removal from the hot heat collector at a constant high temperature and having low heat loss due to the low temperature of the external walls of the battery. The solution to this problem is achieved in that in a heat energy accumulator with controlled heat transfer at a constant temperature, containing a tank having thermal insulation filled with a solid storage medium, as well as main and external heat exchangers with a heat carrier, connected to a source and consumer of heat energy, respectively, according to the invention , the main heat exchanger is made in the form of a spiral diverging from the central axial part to the walls of the tank and additionally periodically curved in the direction and the axis of the tank, the central part of the spiral is connected to the collector of the hot coolant that returns to the heat at a constant temperature is connected to an external heat exchanger connected in turn with the periphery of the helix through the collector cold coolant. And also the fact that the coil of the heat exchanger can be made in the form of a multi-start spiral with the number of starts N> 1. And also the fact that between the turns of the main heat exchanger a heat-insulating screen (s) is installed in the form of a spiral with the number of entries N> 1.
Разработанная конструкция аккумулятора тепловой энергии с регулируемой теплоотдачей при постоянной температуре, позволяет производить регулируемый отбор тепла в коллекторе горячего теплоносителя при высокой постоянной температуре без применения теплоаккумулирующего материала, использующего теплоту фазового перехода, обеспечивая при этом простоту конструкции, надежность и стабильность работы, высокую плотность запасаемой энергии, а также низкие тепловые потери.  The developed design of a thermal energy accumulator with adjustable heat transfer at a constant temperature allows for controlled heat removal in a hot coolant collector at a high constant temperature without the use of heat-storage material using phase transition heat, while ensuring simplicity of design, reliability and stability, high density of stored energy as well as low heat loss.
КРАТНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Сущность изобретения поясняется чертежами:  The invention is illustrated by drawings:
на фиг.1 представлена принципиальная схема предложенного теплового аккумулятора;  figure 1 presents a schematic diagram of the proposed thermal battery;
на фиг. 2 представлен вид сверху теплового аккумулятора;  in FIG. 2 is a plan view of a heat accumulator;
на фиг. 3 представлен вид сверху данного теплового аккумулятора для теплообменника в виде многозаходной спирали с числом заходов N=2;  in FIG. 3 shows a top view of this heat accumulator for a heat exchanger in the form of a multi-start spiral with the number of starts N = 2;
на фиг. 4 показана зависимость температуры ТМ от радиуса в рабочей зоне теплового аккумулятора.  in FIG. Figure 4 shows the dependence of the temperature of the TM on the radius in the working area of the heat accumulator.
Обозначения используемые на чертежах:  Designations used in the drawings:
1- резервуар 2- минеральный утеплитель 1- tank 2- mineral insulation
3- теплоаккумулирующий материал (ТМ)  3- heat storage material (TM)
4- основной теплообменник  4- main heat exchanger
5- коллектор горячего теплоносителя  5- collector of hot heat carrier
6- внешний теплообменник  6- external heat exchanger
7- потребитель тепловой энергии  7- thermal energy consumer
8- коллектор холодного теплоносителя  8- cold coolant collector
9- низковольтный трансформатор  9- low voltage transformer
10- точка горячего коллектора  10- hot collector point
11- точка горячего коллектора  11- hot collector point
12- диэлектрическая вставка  12- dielectric insert
13 - точка горячего коллектора  13 - hot collector point
14- высокотемпературный низкорасходный насос  14- high temperature low flow pump
15- вентили запорной аппаратуры  15- valves of locking equipment
16- блок управления  16- control unit
17- выходы датчиков температуры  17- outputs of temperature sensors
18- дисплей  18- display
19- теплоизолирующий экран.  19- heat insulating screen.
ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ  BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Аккумулятор тепловой энергии с регулируемой теплоотдачей при постоянной температуре (ТА) состоит из цилиндрического резервуара с двойными стенками корпуса 1 (фиг. 1, 2), пространство между которыми заполнено минеральным утеплителем 2. Изнутри резервуар заполнен порошкообразным или гранулированным теплоаккумулирующим материалом 3, в качестве которого может быть выбран песок, и пронизывающего весь объем ТМ замкнутого основного теплообменника 4, состоящего из металлической трубки, согнутой в виде спирали (фиг. 2), расходящейся от центральной осевой части аккумулятора к его периферии - стенкам резервуара 1 и дополнительно периодически изогнутой в направлении оси резервуара, что приводит к полному и однородному охвату всего объема ТМ трубками теплообменника. Для уменьшения диаметра трубок основного теплообменника и ускорения теплообмена с ним при сохранении тепловой мощности аккумулятора спираль теплообменника может быть выполнена в виде многозаходной спирали с числом заходов N>1.  The thermal energy accumulator with adjustable heat transfer at a constant temperature (TA) consists of a cylindrical tank with double walls of the housing 1 (Fig. 1, 2), the space between which is filled with mineral insulation 2. Inside the tank is filled with powder or granular heat-accumulating material 3, which sand can be selected, and the closed main heat exchanger 4, which consists of a metal tube bent in the form of a spiral (Fig. 2), diverging from the central the axial part of the battery to its periphery - the walls of the tank 1 and additionally periodically bent in the direction of the axis of the tank, which leads to a complete and uniform coverage of the entire volume of the TM heat exchanger tubes. To reduce the diameter of the tubes of the main heat exchanger and accelerate heat exchange with it while maintaining the thermal power of the battery, the heat exchanger spiral can be made in the form of a multi-start spiral with the number of starts N> 1.
Центральная часть теплообменника соединена с коллектором горячего теплоносителя 5, который соединен с внешним теплообменником 6, в котором происходит отдача тепла потребителю тепловой энергии 7. Выход внешнего теплообменника 6 с охлажденным теплоносителем соединен через вентили 15 и насос 14 с периферийной частью основного теплообменника 4 через коллектор холодного теплоносителя 8. Геометрические параметры теплообменника рассчитываются для каждого набора исходных материалов в зависимости от тепловой мощности аккумулятора. В качестве материала трубок теплообменника используется медь из-за ее высокой теплопроводности, низкой стоимости, а также химической инертности и стойкости к щелочи. The central part of the heat exchanger is connected to the collector of the hot heat carrier 5, which is connected to an external heat exchanger 6, in which heat is transferred to the consumer of heat energy 7. The output of the external heat exchanger 6 with a cooled heat carrier is connected through valves 15 and the pump 14 to the peripheral part of the main heat exchanger 4 through a cold heat collector 8. The geometric parameters of the heat exchanger are calculated for each set of source materials depending on the thermal capacity of the battery. Copper is used as the material of the tubes of the heat exchanger due to its high thermal conductivity, low cost, as well as chemical inertness and resistance to alkali.
Внутри теплообменника циркулирует жидкий теплоноситель, в качестве которого может использоваться жидкий едкий натр (NaOH) (рабочая температура до 1350°С), жидкий натрий (температура плавления 98°С), который может быть нагрет до температуры 850°С, минеральное масло, (рабочая температура до 300°С), семейство силиконовых высокотемпературных теплоносителей Термо л ан (рабочая температура до 330° С), и др.  A liquid coolant circulates inside the heat exchanger, which can be used liquid caustic soda (NaOH) (operating temperature up to 1350 ° C), liquid sodium (melting point 98 ° C), which can be heated to a temperature of 850 ° C, mineral oil, ( operating temperature up to 300 ° С), the family of silicone high-temperature heat carriers Thermo lan (operating temperature up to 330 ° С), etc.
В случае использования теплоносителя, который изначально может находиться в твердой фазе (для случая теплоносителя NaOH, Na), для его разогрева до температуры плавления используется нагрев спиральной части теплообменника с помощью омического тепла, генерируемого путем прикладывания к трубкам теплообменника необходимого напряжения от низковольтного трансформатора 9 между точками горячего коллектора 10 и холодного коллектора 8. Для блокирования этого электрического тока через трубу насоса 14, труба горячего коллектора разделена диэлектрической вставкой 12.  In the case of using a heat carrier, which may initially be in the solid phase (for the case of the heat carrier NaOH, Na), for heating it to the melting temperature, the spiral part of the heat exchanger is heated using ohmic heat generated by applying the required voltage to the tubes of the heat exchanger from the low-voltage transformer 9 between points of the hot collector 10 and the cold collector 8. To block this electric current through the pipe of the pump 14, the pipe of the hot collector is separated by a dielectric tion insert 12.
Для аккумулирования тепла путем разогрева горячего коллектора в центральной области теплообменника и дальнейшей передачи тепла по всему объему ТМ путем принудительной циркуляции нагретого теплоносителя в теплообменнике, используется омический нагрев путем прикладывания необходимого напряжения от низковольтного трансформатора 9 к максимально разнесенным на горячем коллекторе точкам 10 и 11. На фиг.1 изображен низковольтный трансформатор 9 и обе цепи нагрева теплообменника. Для циркуляции теплоносителя по контуру ТА используется индукционный либо другой высокотемпературный низкорасходный насос 14 с возможностью реверса потока.  To accumulate heat by heating the hot collector in the central region of the heat exchanger and further transferring heat throughout the TM volume by forced circulation of the heated coolant in the heat exchanger, ohmic heating is applied by applying the necessary voltage from the low-voltage transformer 9 to the points 10 and 11 maximally spaced on the hot collector. 1 shows a low voltage transformer 9 and both heat exchanger heating circuits. To circulate the coolant along the TA circuit, an induction or other high-temperature low-flow pump 14 is used with the possibility of reverse flow.
Цикл работы устройства можно разбить на три фазы.  The cycle of the device can be divided into three phases.
Во время первой фазы аккумулирования тепла теплоноситель нагревается до высокой температуры Т1 с помощью омического нагрева коллектора горячего теплоносителя 5. Разогретый до температуры Т1 теплоноситель с помощью насоса 14 начинает прокачиваться из центральной части ТА от горячего коллектора 5 к периферии ТА. Материал теплообменика нагревается, передавая тепло окружающему ТМ и разогревая его до температуры Т1. During the first phase of heat storage, the coolant is heated to a high temperature T1 by ohmic heating of the hot collector heat carrier 5. The coolant heated to a temperature T1 by means of a pump 14 starts to be pumped from the central part of the TA from the hot collector 5 to the periphery of the TA. The heat exchange material is heated, transferring heat to the surrounding TM and warming it to temperature T1.
Эта технология зарядки ТА принципиально важна в случае использования источника энергии со скважным режимом работы в период зарядки ТА, т.к. позволяет запасать в ТМ тепловую энергию при стабильной высокой температуре Т1.  This TA charging technology is fundamentally important in the case of using an energy source with a borehole operating mode during the TA charging period, since It allows storing thermal energy in the TM at a stable high temperature T1.
По достижении температуры Т1 во всем объеме теплоаккумулирующего материала нагрев прекращается, и ТА переходит либо во вторую фазу хранения тепловой энергии, либо переключается на третью фазу - фазу разряда ТА. Во второй фазе вентили запорной арматуры 15 запираются, блокируя тепловой поток посредством движения теплоносителя в трубах.  When temperature T1 is reached in the entire volume of the heat-accumulating material, the heating ceases, and the heat transfer unit either passes into the second phase of thermal energy storage, or switches to the third phase, the discharge phase of the thermal energy. In the second phase, the valves of the shutoff valves 15 are locked, blocking the heat flux through the movement of the coolant in the pipes.
Внешний теплообменник 6, за счет малой теплоемкости, быстро остывает до температуры окружающей среды ТЗ, тем самым не передавая тепло потребителю тепловой энергии 7. Наличие тепловой изоляции в виде минерального утеплителя 2 уменьшает тепловые потери ТА.  The external heat exchanger 6, due to the low heat capacity, quickly cools to ambient temperature TK, thereby not transferring heat to the consumer of thermal energy 7. The presence of thermal insulation in the form of mineral insulation 2 reduces the heat loss of TA.
Во время третьей фазы происходит передача тепловой энергии внешнему потребителю 7. Для этого вентили запорной арматуры 15 открываются, теплоноситель с помощью насоса 14 прокачивается в обратном направлении с требуемой скоростью от коллектора холодного теплоносителя 8 к коллектору горячего теплоносителя 5. Тепло, запасенное в теплоносителе, нагретом до температуры Т1, отдается внешнему потребителю тепловой энергии 7 с помощью его теплового контакта через внешний теплообменник 6. Охлажденный до температуры Т2 теплоноситель из внешнего теплообменника 6 переносится в периферийную зону теплового аккумулятора, вытесняя нагретый до температуры Т1 теплоноситель ближе к центральной зоне аккумулятора. Таким образом, схема движения теплоносителя от коллектора горячего теплоносителя 5 до коллектора холодного теплоносителя 8 через внешний теплообменник 6 обеспечивает относительную стабильность температуры теплоносителя Т1 на выходе из ТА к потребляющему тепло оборудованию. При отборе теплоты из ТА градиент распределения температуры от времени резко меняется от Т2 в периферийной области до Т1 в центральной области, фиг.4. При этом кроме стабильности высокой температуры Т1 на выходе из ТА, на стенках резервуара 1 будет сохраняться низкая температура Т2, значительно снижающая тепловые потери ТА. Для поддержания данной стабильности температуры теплоносителя на выходе тепловой аккумулятор снабжен блоком управления 16, который управляет запорными вентилями 15 и скоростью движения теплоносителя внутри трубок с помощью управления мощностью насоса 14 и направлением потока теплоносителя. Для этого входы устройства 16 соединены с выходами датчиков температуры 17, детектирующими распределение значений температуры по радиусу внутри объема ТМ, с блоком управления насосом 16 и запорными вентилями 15. During the third phase, thermal energy is transferred to the external consumer 7. For this, the valves of the shutoff valves 15 open, the coolant is pumped back through the pump 14 at the required speed from the cold coolant collector 8 to the hot coolant collector 5. The heat stored in the heated coolant to a temperature T1, it is given to an external consumer of thermal energy 7 by means of its thermal contact through an external heat exchanger 6. A coolant cooled to a temperature T2 from external heat exchanger 6 is transferred to the peripheral zone of the heat accumulator, displacing the coolant heated to a temperature T1 closer to the central zone of the accumulator. Thus, the movement of the heat carrier from the collector of the hot heat carrier 5 to the collector of the cold heat carrier 8 through an external heat exchanger 6 provides the relative stability of the temperature of the heat carrier T1 at the outlet of the TA to the heat-consuming equipment. When taking heat from TA, the temperature distribution gradient from time to time sharply changes from T2 in the peripheral region to T1 in the central region, Fig. 4. Moreover, in addition to the stability of the high temperature T1 at the outlet of the TA, the low temperature T2 will remain on the walls of the tank 1, significantly reducing the heat loss of the TA. To maintain this stability of the temperature of the coolant at the outlet, the heat accumulator is equipped with a control unit 16, which controls the shut-off valves 15 and the speed of movement of the coolant inside the tubes by controlling the power of the pump 14 and the direction of flow of the coolant. For this, the inputs of the device 16 are connected to the outputs of the temperature sensors 17, detecting the distribution of temperature values along the radius inside the TM volume, with the pump control unit 16 and shut-off valves 15.
Для визуального контроля запасенной и отдаваемой тепловой энергии, а также режимов работы блок управления 16 снабжен дисплеем 18.  For visual control of the stored and supplied heat energy, as well as operating modes, the control unit 16 is equipped with a display 18.
При режиме работы ТА, характеризующейся низкой теплоотдачей и достаточно высокой теплопроводностью ТМ для уменьшения тепловых потерь через стенки корпуса 1 и слой утеплителя 2 внутри резервуара между витками теплообменника 4 может быть установлен теплоизолирующий экран(ы) 19 (фиг. 2 и 3) в виде спирали с числом заходов равным или больше 1, который(е) замедляет(ют) процесс движения тепла от центральной горячей области с коллектором 5 ТА к холодным стенкам корпуса 1 посредством прямой теплопроводности ТМ.  In the mode of operation of the TA, characterized by low heat transfer and a sufficiently high heat conductivity of the TM to reduce heat loss through the walls of the housing 1 and the insulation layer 2 inside the tank between the turns of the heat exchanger 4 can be installed insulating screen (s) 19 (Fig. 2 and 3) in the form of a spiral with the number of visits equal to or greater than 1, which (e) slows down the process of movement of heat from the central hot region with the 5 TA collector to the cold walls of the housing 1 through direct thermal conductivity of the TM.
В предложенном ТА тепловые потери на стенках аккумулятора уменьшены ввиду их невысокой температуры благодаря резкому скачку температуры внутри ТМ (фиг.4).  In the proposed TA, heat losses on the walls of the battery are reduced due to their low temperature due to a sharp jump in temperature inside the TM (figure 4).
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ  INDUSTRIAL APPLICABILITY
Заявленный аккумулятор тепловой энергии с регулируемой теплоотдачей при постоянной температуре имеет высокую эффективность работы за счет возможности использования высокотемпературного режима работы до 1000° С в зависимости от выбранного типа теплоносителя.  The claimed battery of thermal energy with adjustable heat transfer at a constant temperature has a high efficiency due to the possibility of using high-temperature operation up to 1000 ° C, depending on the selected type of coolant.
Изобретение может быть осуществлено в других вариантах, не выходящих за пределы объема изобретения, определяемого пунктами патентных притязаний. Так, например, спираль теплообменника может быть выполнена в виде многозаходной спирали с числом заходов N>1 и между витками основного теплообменника может быть установлен теплоизолирующий экран(ы) в виде спирали с числом заходов N>1.  The invention may be carried out in other embodiments, not going beyond the scope of the invention defined by the patent claims. So, for example, the coil of the heat exchanger can be made in the form of a multi-start spiral with the number of starts N> 1 and between the turns of the main heat exchanger can be installed heat-insulating screen (s) in the form of a spiral with the number of starts N> 1.

Claims

ФОРМУЛА FORMULA
1. Аккумулятор тепловой энергии с регулируемой теплоотдачей при постоянной температуре, содержащий резервуар, имеющий тепловую изоляцию, заполненный твердой аккумулирующей средой, а также основной и внешний теплообменники с теплоносителем, подключенные к источнику и потребителю тепловой энергии соответственно, ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что основной теплообменник (4) выполнен в виде спирали, расходящейся от центральной осевой части к стенкам резервуара и дополнительно периодически изогнутой в направлении оси резервуара (1), при этом центральная часть спирали соединена с коллектором горячего теплоносителя (5), который для отдачи тепла при постоянной температуре соединен с внешним теплообменником (6), соединенным в свою очередь с периферийной частью спирали через коллектор холодного теплоносителя (8). 1. A thermal energy accumulator with controlled heat transfer at a constant temperature, containing a tank having thermal insulation filled with a solid storage medium, as well as main and external heat exchangers with a heat carrier, connected to a source and consumer of thermal energy, respectively, DIFFERENT in that the main heat exchanger (4 ) is made in the form of a spiral diverging from the central axial part to the walls of the tank and additionally periodically curved in the direction of the axis of the tank (1), while spiral part is connected to the collector of the hot water heater (5), which returns to the heat at a constant temperature is connected to the external heat exchanger (6) connected in turn with the periphery of the spiral coolant through the cold collector (8).
2. Аккумулятор тепловой энергии по п.1, ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что спираль теплообменника может быть выполнена в виде многозаходной спирали с числом заходов N>1. 2. The thermal energy accumulator according to claim 1, characterized in that the coil of the heat exchanger can be made in the form of a multi-start spiral with the number of starts N> 1.
3. Аккумулятор тепловой энергии по п.1, ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что между витками основного теплообменника установлен теплоизолирующий экран(ы) в виде спирали с числом заходов N>1.  3. The thermal energy accumulator according to claim 1, characterized in that between the turns of the main heat exchanger is installed heat-insulating screen (s) in the form of a spiral with the number of entries N> 1.
PCT/RU2019/000492 2018-07-24 2019-07-10 Heat energy storage device with regulated heat output at a constant temperature WO2020022936A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018127224A RU2696183C1 (en) 2018-07-24 2018-07-24 Thermal energy storage with controlled heat release at constant temperature
RU2018127224 2018-07-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020022936A1 true WO2020022936A1 (en) 2020-01-30

Family

ID=67586791

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2019/000492 WO2020022936A1 (en) 2018-07-24 2019-07-10 Heat energy storage device with regulated heat output at a constant temperature

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2696183C1 (en)
WO (1) WO2020022936A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220136456A1 (en) * 2020-11-02 2022-05-05 National Cheng Kung University Scroll heating device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998020286A1 (en) * 1996-11-07 1998-05-14 Den Berg Robert Ferdinand Alwi Heating apparatus
RU2459152C1 (en) * 2011-04-27 2012-08-20 Ирина Юрьевна Поспелова Combined solar power supply system
RU2626922C2 (en) * 2015-07-22 2017-08-02 Александр Александрович Максименко Heat energy storage

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2027119C1 (en) * 1992-07-27 1995-01-20 Симон Апресович Айрапетян Thermal energy accumulator
EA018758B1 (en) * 2009-11-25 2013-10-30 Открытое Акционерное Общество "Головное Специализированное Конструкторское Бюро По Комплексу Оборудования Для Микроклимата" Hot-water boiler
RU145327U1 (en) * 2014-02-26 2014-09-20 Ирина Юрьевна Поспелова HEAT BATTERY-HEAT EXCHANGER

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998020286A1 (en) * 1996-11-07 1998-05-14 Den Berg Robert Ferdinand Alwi Heating apparatus
RU2459152C1 (en) * 2011-04-27 2012-08-20 Ирина Юрьевна Поспелова Combined solar power supply system
RU2626922C2 (en) * 2015-07-22 2017-08-02 Александр Александрович Максименко Heat energy storage

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220136456A1 (en) * 2020-11-02 2022-05-05 National Cheng Kung University Scroll heating device
US11480133B2 (en) * 2020-11-02 2022-10-25 National Cheng Kung University Scroll heating device

Also Published As

Publication number Publication date
RU2696183C1 (en) 2019-07-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Khalifa et al. A numerical and experimental study of solidification around axially finned heat pipes for high temperature latent heat thermal energy storage units
US20090199998A1 (en) Two material phase change energy storage system
CN102168848B (en) High-temperature concrete heat reservoir capable of generating steam directly
CN108150986A (en) A kind of fuse salt phase-transition heat-storage electric boiler
CN110940217A (en) Single-tank high-temperature energy storage device
CN104880111A (en) Sealing method of phase-change energy storage unit
GB2532485A (en) An apparatus for storage of sensible heat
WO2019080808A1 (en) Integrated system for energy storage and heat exchange
CN204063575U (en) A kind of molten salt energy-storage heating heat-exchange system
RU2696183C1 (en) Thermal energy storage with controlled heat release at constant temperature
KR101548073B1 (en) Heating-apparatus and Water-heater storing heat capable of using the hot heat of heat-source separated from heat storing tank directly
CN212030299U (en) Heat exchange pipeline parallel structure of phase change heat accumulator
CN104654894A (en) Heat accumulator combined segmental heat charging and discharging closed loop control system
CN102654318A (en) Solar photo-thermal generation phase-change energy storage medium melting and anti-condensation technology and device
CN109099502A (en) Phase-change heat-storage electric-heating steam and hot water supply system and its control method
CN205156704U (en) Utilize phase change energy storage device of millet electrical heating
CN104654896A (en) Combined/split heat charge/release open-loop control system of heat accumulator
CN209763464U (en) Instant heating type hot water supply system
RU164694U1 (en) HIGH EFFICIENT COMPACT HEAT BATTERY
Huang et al. Two-phase closed-loop thermosyphon solar water heater with porous wick structure: Performance and start-up time
CN111947220B (en) Closed gravity heat pipe-based compact type step heat storage and supply system and method
CN211233379U (en) Direct current water heating device
CN211451998U (en) Single-tank high-temperature energy storage device
RU145327U1 (en) HEAT BATTERY-HEAT EXCHANGER
CN101943492A (en) Automatic temperature control solar water heating system

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19840835

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19840835

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1