Комплексный тепловой аккумулятор и варочная плита на его основе

Полезная модель относится к области теплотехники и может быть использована в системах теплоэлектроснабжения индивидуальных объектов. Комплексный тепловой аккумулятор включает высокотемпературный блок и низкотемпературный блок, высокотемпературный блок выполнен в виде камеры с расположенным в ней, по меньшей мере, одним накопителем тепловой энергии, низкотемпературный блок выполнен в виде расположенной снаружи высокотемпературного блока рубашки с подключаемыми-отключаемыми патрубками для подвода и отвода нагреваемой жидкости, при этом камера высокотемпературного блока выполнена с возможностью подключения-отключения ее к теплообменнику, располагаемому в зоне горения топлива или концентрации солнечной энергии устройства для получения тепловой энергии в системе теплоснабжения и/или горячего водоснабжения, для отбора части тепловой энергии сгорания топлива, рабочим агентом теплообменника и соединенной с ним камеры высокотемпературного блока является минеральное и/или синтетическое масло с температурой кипения при атмосферном давлении не менее 500°С, а между рубашкой низкотемпературного блока и камерой высокотемпературного блока размещена теплоизоляция. Варочная плита выполнена на основе комплексного теплового аккумулятора и содержит корпус, по меньшей мере, одну варочную конфорку, тепловой аккумулятор предложенной конструкции, при этом варочная конфорка сообщена с камерой высокотемпературного блока. Полезная модель позволит снизить материалоемкость и габариты устройства, повысить экологичность и безопасность работы, как самого аккумулятора, так и варочной плиты на его основе.

Полезная модель относится к области теплотехники и может быть использована в системах теплоэлектроснабжения индивидуальных объектов.

На современном этапе рациональное использование топливно-энергетических ресурсов представляет собой одну из глобальных мировых проблем, успешное решение которой будет иметь определяющее значение не только для дальнейшего развития мирового сообщества, но и для сохранения среды его обитания. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергосберегающих технологий, использование возобновляемых источников энергии.

Учитывая увеличение использования возобновляемых источников энергии, многие европейские производители признали необходимость комбинирования нескольких источников тепловой энергии в единую систему теплоснабжения. Такая система может включать котлы, которые работают на газе и жидком топливе, электрические нагреватели (например, ТЭНы), а также альтернативные источники - тепловые насосы, солнечные коллекторы, дровяные котлы и устройства для утилизации тепла. Комбинированная система теплоснабжения позволяет максимально эффективно использовать тепло из источников, которые являются временно доступными.

Солнечная энергия поступает только тогда, когда светит солнце, тепло от сжигания дров или брикетов доступно лишь тогда, когда горит огонь. Поступление тепловой энергии от теплового насоса или электрического нагревателя может быть экономически выгодным только в те периоды суток, когда действует сниженный тариф на коммунальные услуги. Еще больше осложняет ситуацию то, что температура воды, которую обеспечивают такие источники тепловой энергии, может значительно отличаться.

Каждый источник тепловой энергии на протяжении своего действия поставляет тепло в тепловой аккумулятор, который по мере необходимости отдает его в систему отопления для поддержания соответствующей температуры в помещении, которое обогревается.

Например, у большинства современных твердотопливных котлов периодического действия управление теплопроизводительностью производится за счет регулирования подачи воздуха, необходимого для горения, то есть за счет изменения мощности горения. Наибольший КПД котлов на любом виде топлива может быть получен при работе их с наибольшей мощностью. КПД таких систем отопления существенно зависит от того, при какой мощности работает система.

Аккумулирующие емкости для комплексных систем теплоснабжения во многих случаях выступают не как опция, которая делает систему комфортной и экономически выгодной, а как необходимый элемент - «сердце» системы. В Западной Европе установка теплоаккумулятора вместе с дровяным котлом является обязательным требованием. При этом теплоаккумулятор не только экономически выгоден, но и, благодаря полному сгоранию топлива, предотвращает забивку дымохода дегтевыми осадками.

Наиболее распространенными и простыми в применении являются аккумуляторы емкостного типа, в которых используется теплоемкость вещества, которое нагревается без изменения его агрегатного состояния (например, вода, растворы солей, камень, галька).

На аккумулировании тепла основывается печное отопление, где в качестве аккумулирующего вещества используются материалы печи (огнеупорный кирпич, кафельный кирпич, керамические плитки и др.).

Основными недостатками такого теплового аккумулятора являются его большие габариты и низкая плотность запасаемой энергии.

Для аккумулирования тепла также используют теплоту плавления, что обеспечивает высокую плотность запасаемой энергии. При рабочих температурах до 120°С применяют кристаллогидриды неорганических солей.

Основным их недостатком является невысокая температура плавления, а также повышенная коррозионная активность.

Использование органических веществ практически полностью снимает вопросы коррозионного разрушения корпуса, обеспечивает высокие плотности запасаемой энергии, неплохие экономические показатели. Часто используют парафины, температура плавления большинства которых в зависимости от сорта лежит в диапазоне 40 - 65°С. Также существуют родственные парафинам природный озокерит, церезины, температура плавления которых лежит в пределах 58-100°С.

Основным недостатком данных материалов является малая теплопроводность, невысокая температура плавления, высокая цена.

Достоинством данных низкотемпературных тепловых аккумуляторов является обеспечение наивысшего КПД использования выделившейся энергии сгорания топлива за счет отбора тепла отходящих газов при температурах менее 150°С водяным теплоотборником (теплообменником) и его дальнейшего аккумулирования.

Если низкотемпературные тепловые аккумуляторы используются только для целей теплоснабжения и/или горячей водоподготовки, то они являются экономически целесообразным техническим решением.

В настоящее время продолжается поиск и разработка систем теплоэлектроснабжения, предназначенных для комплексного решения задач обеспечения жилых домов теплом, горячей водой и электроэнергией от источников тепловой энергии в виде водогрейных котлов и печей, работающих на газе, дровах, угле, топливных брикетах, пеллетах. Для преобразования тепла в механическую и далее в электрическую энергию используются двигатели внешнего сгорания, в частности двигатели Стирлинга. Для их работы требуются температуры выше 100°С. Поэтому низкотемпературные аккумуляторы в этом случае не пригодны, а требуются высокотемпературные тепловые аккумуляторы на фазовых переходах, аналогичные применяемым на солнечных электростанциях большой мощности. В качестве накопителей энергии используются, например, соли (NaCl), щелочи (NaOH, КОН).

Основные недостатки - высокие теплопотери при небольших емкостях высокотемпературного аккумулятора, требуемых для индивидуальных объектов, высокая химическая активность данных веществ.

Известна конструкция теплового аккумулятора, включающего твердотопливный котел, сообщенный с ним бак-аккумулятор, сообщенный с системой циркуляции воды через твердотопливный котел, бак аккумулятор сообщен через разводящую систему с нагревательными приборами (.

Недостатком данной конструкции является большие габариты устройства (в частности, бака-аккумулятора), его высокая материалоемкость, низкая безопасность работы системы и ее низкие экологические свойства, поскольку в качестве нагреваемого теплоносителя и накопителя используют воду, которой требуется большое количество для эффективной работы и накопления тепловой энергии, а также при нагревании воды происходит повышение давления в системе, что и отражается в конечном итоге на безопасности работы и низких экологических свойствах. Кроме того, такой режим работы (в условиях повышенного давления) ограничивает ресурс работы системы.

Техническим результатом предложенной полезной модели является устранение указанных недостатков, снижение материалоемкости и габаритов устройства, повышение экологичности, повышение безопасности и продолжительности эксплуатации.

Указанный технический результат достигается в комплексном тепловом аккумуляторе, включающем высокотемпературный блок и низкотемпературный блок, высокотемпературный блок выполнен в виде камеры с расположенным в ней, по меньшей мере, одним накопителем тепловой энергии, низкотемпературный блок выполнен в виде расположенной снаружи высокотемпературного блока рубашки с подключаемыми-отключаемыми патрубками для подвода и отвода нагреваемой жидкости, при этом камера высокотемпературного блока выполнена с возможностью подключения-отключения ее к теплообменнику, располагаемому в зоне горения топлива или концентрации солнечной энергии устройства для получения тепловой энергии в системе теплоснабжения и/или горячего водоснабжения, для отбора части тепловой энергии сгорания топлива, рабочим агентом теплообменника и соединенной с ним камеры высокотемпературного блока является минеральное или синтетическое масло с температурой кипения при атмосферном давлении не менее 500°С, а между рубашкой низкотемпературного блока и камерой высокотемпературного блока размещена теплоизоляция.

Кроме того, в качестве накопителя тепловой энергии используют камень или огнеупорный кирпич.

Кроме того, в качестве накопителя тепловой энергии используют герметичную капсулу с едким натром или едким калием.

Кроме того, устройство для получения тепловой энергии выполнено в виде газового, или жидкостного, или твердотельного котла, или дровяной печи, или солнечного коллектора в виде вогнутого зеркала и теплоприемника.

Кроме того, нагреваемой жидкостью рубашки низкотемпературного блока является вода или антифриз.

Указанный технический результат достигается также в варочной плите, содержащей корпус, по меньшей мере, одну варочную конфорку, тепловой аккумулятор, включающий высокотемпературный блок и низкотемпературный блок, высокотемпературный блок выполнен в виде камеры с расположенным в ней, по меньшей мере, одним накопителем тепловой энергии, низкотемпературный блок выполнен в виде расположенной снаружи высокотемпературного блока рубашки с подключаемыми-отключаемыми патрубками для подвода и отвода нагреваемой жидкости, при этом камера высокотемпературного блока выполнена с возможностью подключения-отключения ее к теплообменнику, располагаемому в зоне горения топлива или концентрации солнечной энергии устройства для получения тепловой энергии в системе теплоснабжения и/или горячего водоснабжения, для отбора части тепловой энергии сгорания топлива, рабочим агентом теплообменника и соединенной с ним камеры высокотемпературного блока является минеральное или синтетическое масло с температурой кипения при атмосферном давлении не менее 500°С, между рубашкой низкотемпературного блока и камерой высокотемпературного блока размещена теплоизоляция, а варочная конфорка сообщена с камерой высокотемпературного блока.

Кроме того, в качестве накопителя тепловой энергии используют камень или огнеупорный кирпич.

Кроме того, в качестве накопителя тепловой энергии используют герметичную капсулу с едким натром или едким калием.

Кроме того, устройство для получения тепловой энергии выполнено в виде газового, или жидкостного, или твердотельного котла, или дровяной печи, или солнечного коллектора в виде вогнутого зеркала и теплоприемника.

Кроме того, нагреваемой жидкостью рубашки низкотемпературного блока является вода или антифриз.

Комплексный тепловой аккумулятор содержит высокотемпературный блок и низкотемпературный блок. Высокотемпературный блок выполнен в виде камеры с расположенным в ней элементами-накопителями тепловой энергии, которые могут быть: в виде камня или в виде огнеупорного кирпича, или используют герметичные капсулы с расположенным в них едким натром или едким калием.

Низкотемпературный блок выполнен в виде расположенной снаружи камеры высокотемпературного блока рубашки с отключаемыми патрубками для подвода и отвода рабочей жидкости, в частности, воды или антифриза.

Камера высокотемпературного блока выполнена с возможностью подключения-отключения ее к теплообменнику, который расположен в зоне горения топлива или концентрации солнечной энергии устройства для получения тепловой энергии в системе теплоснабжения и/или горячего водоснабжения жилого дома или производственного помещения различного назначения, которое может быть в виде газового, или жидкостного, или твердотельного котла, или дровяной печи, или солнечного коллектора в виде вогнутого зеркала и теплоприемника.

Рабочим агентом теплообменника и соединенной с ним камеры высокотемпературного блока является минеральное или синтетическое масло с температурой кипения при атмосферном давлении не менее 500°С.

Между рубашкой низкотемпературного блока и камерой высокотемпературного блока размещена теплоизоляция.

На основе рассматриваемого комплексного теплового аккумулятора может быть выполнена варочная плита, которая содержит корпус, одну или несколько варочных конфорок и тепловой аккумулятор описанной выше конструкции. При этом каждая варочная конфорка сообщена с камерой высокотемпературного блока.

Комплексный тепловой аккумулятор работает следующим образом.

Теплообменник, расположенный в зоне горения топлива, где температура достигает 600-700°С и выше, устройства для получения тепловой энергии в системе теплоснабжения и/или горячего водоснабжения жилого дома, нагревается, передавая тепловую энергию рабочему агенту (например, в виде минерального или синтетического масла с температурой кипения при атмосферном давлении не менее 500°С, например автол), нагревая его до температуры 400-450°С.

Отбор оставшейся части тепловой энергии сгорания топлива осуществляется стандартными способами, используемыми в водогрейных котлах дополнительным водяным теплообменником, расположенным на пути прохождения дымовых газов. При этом общий КПД котла сохраняется, а доля запасенной в тепловом аккумуляторе энергии составит 30-40% от общей энергии.

В случае использования солнечного коллектора в виде вогнутого зеркала и теплоприемника, температура теплоприемника может составлять до 500°С и тепловая энергия будет также передаваться рабочему агенту и далее к высокотемпературному аккумулятору.

Масло прокачивается через теплообменник и камеру высокотемпературного блока аккумулятора, например, посредством циркуляционного насоса или за счет разности гидростатических давлений в прямой и обратной трубе, нагревал накопители тепловой энергии, расположенные в камере высокотемпературного блока, до температуры 330-400°С.

Если устройство для получения тепловой энергии выполнено в виде дровяной печи или солнечного коллектора, то после прогорания дров или захода солнца масло перестают прокачивать через теплообменник. Если используется газовый котел, то прокачка масла прекращается после отключения подачи газа. Аккумулятор получил определенный заряд тепла, причем основная часть энергии запасена в высокотемпературном блоке. Если потребность в тепловой энергии отсутствует, то за счет разности температур происходит частичный разряд аккумулятора и нагрев рабочей жидкости в низкотемпературном блоке. Эта энергия может в дальнейшем использоваться для отопления и горячей водоподготовки. То есть КПД комплексного теплового аккумулятора не хуже, чем у низкотемпературного теплового аккумулятора.

Когда необходимо забрать тепло у аккумулятора, то он подключается к потребителю (теплообменнику) или через низкотемпературный блок, или через высокотемпературный. В качестве потребителей могут выступать как системы теплоснабжения и горячей водоподготовки, так и когенераторные установки.

Это существенное преимущество данного решения.

При использовании варочной плиты на основе предложенного комплексного теплового аккумулятора в камеру высокотемпературного блока вставлен металлический стержень, соединенный с конфоркой. Тепловая энергия из камеры высокотемпературного блока по стержню поступает к конфорке и далее передается нагреваемому объекту. В отсутствие потребностей в нагреве конфорка закрывается теплоизолирующей крышкой и диссипации тепла из теплового аккумулятора не происходит.

Температура конфорок электроплит находится в пределах от 400°С до 160°С в зависимости от требуемой мощности нагрева. Максимальная мощность одной конфорки бытовой электроплиты, как правило, не превышает 1-2 кВт. То есть высокотемпературный блок с запасенной энергией 40 МДж способен в течение 4-х часов обеспечивать непрерывную работу двух конфорок. В то же время данный аккумулятор может при хорошей теплоизоляции сохранять энергию в течение 10-14 часов.

Варочная плита на основе предложенного комплексного теплового аккумулятора является экологически чистой.

При использовании в качестве устройства для получения тепловой энергии газового котла, размещенного, например, вне жилых помещений, мы можем в этом случае убрать из кухни и газовую плиту, тем самым повысить безопасность использования газа и улучшить экологическую обстановку в доме.

Для твердотопливных котлов периодического действия одна его утренняя растопка может обеспечить в течение всего дня оперативное и комфортное приготовление пищи.

Достоинством высокотемпературного теплового аккумулятора по сравнению с водяными теплоаккумуляторами является компактность (при той же запасаемой энергии - более чем в пять раз), что обеспечивается за счет высокой температуры (450-322°С) и использования в качестве накопителей энергии предложенных веществ. Это также обеспечивает низкую удельную стоимость (руб./МДж) комплексного теплового аккумулятора.

Предложенная полезная модель позволит снизить материалоемкость и габариты устройства, повысить экологичность, безопасность работы и продолжительность эксплуатации, как самого аккумулятора, так и варочной плиты на его основе за счет описанной конструкции и использования в качеств рабочего агента теплообменника и камеры высокотемпературного блока минерального и/или синтетического масла с температурой кипения при атмосферном давлении не менее 500°С, что не приводит к повышению давления в системе. Снижаются расходы энергоносителей (электроэнергии или газа) для приготовления пищи и, соответственно расходы, связанные с их приобретением.

1. Комплексный тепловой аккумулятор, включающий высокотемпературный блок и низкотемпературный блок, высокотемпературный блок выполнен в виде камеры с расположенным в ней, по меньшей мере, одним накопителем тепловой энергии, низкотемпературный блок выполнен в виде расположенной снаружи высокотемпературного блока рубашки с подключаемыми-отключаемыми патрубками для подвода и отвода нагреваемой жидкости, при этом камера высокотемпературного блока выполнена с возможностью подключения-отключения ее к теплообменнику, располагаемому в зоне горения топлива или концентрации солнечной энергии устройства для получения тепловой энергии в системе теплоснабжения и/или горячего водоснабжения, для отбора части тепловой энергии сгорания топлива, рабочим агентом теплообменника и соединенной с ним камеры высокотемпературного блока является минеральное и/или синтетическое масло с температурой кипения при атмосферном давлении не менее 500°С, а между рубашкой низкотемпературного блока и камерой высокотемпературного блока размещена теплоизоляция.

2. Комплексный тепловой аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что в качестве накопителя тепловой энергии используют камень или огнеупорный кирпич.

3. Комплексный тепловой аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что в качестве накопителя тепловой энергии используют герметичную капсулу с едким натром или едким калием.

4. Комплексный тепловой аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что устройство для получения тепловой энергии выполнено в виде газового, или жидкостного, или твердотельного котла, или дровяной печи, или солнечного коллектора в виде вогнутого зеркала и теплоприемника.

5. Комплексный тепловой аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что нагреваемой жидкостью рубашки низкотемпературного блока является вода или антифриз.

6. Варочная плита, содержащая корпус, по меньшей мере, одну варочную конфорку, отличающаяся тем, что она содержит тепловой аккумулятор, включающий высокотемпературный блок и низкотемпературный блок, высокотемпературный блок выполнен в виде камеры с расположенным в ней, по меньшей мере, одним накопителем тепловой энергии, низкотемпературный блок выполнен в виде расположенной снаружи высокотемпературного блока рубашки с подключаемыми/отключаемыми патрубками для подвода и отвода нагреваемой жидкости, при этом камера высокотемпературного блока выполнена с возможностью подключения-отключения ее к теплообменнику, располагаемому в зоне горения топлива устройства для получения тепловой энергии или концентрации солнечной энергии в системе теплоснабжения и/или горячего водоснабжения, для отбора части тепловой энергии сгорания топлива, рабочим агентом теплообменника и соединенной с ним камеры высокотемпературного блока является минеральное и/или синтетическое масло с температурой кипения при атмосферном давлении не менее 500°С, между рубашкой низкотемпературного блока и камерой высокотемпературного блока размещена теплоизоляция, а варочная конфорка сообщена с камерой высокотемпературного блока.

7. Варочная плита по п.6, отличающаяся тем, что в качестве накопителя тепловой энергии используют камень или огнеупорный кирпич.

8. Варочная плита по п.6, отличающаяся тем, что в качестве накопителя тепловой энергии используют герметичную капсулу с едким натром или едким калием.

9. Варочная плита по п.6, отличающаяся тем, что устройство для получения тепловой энергии выполнено в виде газового, или жидкостного, или твердотельного котла, или дровяной печи, или солнечного коллектора в виде вогнутого зеркала и теплоприемника.

10. Варочная плита по п.6, отличающаяся тем, что нагреваемой жидкостью рубашки низкотемпературного блока является вода или антифриз.