Апарат за подгряване на вода

Собственици на патент RU 2502925:

Изобретението се отнася до енергетиката и може да се използва в устройства за нагряване на вода. Същността на изобретението е, че устройството за нагряване на вода, съдържащо най-малко резервоар за вода, вход и изход за вода, както и метално тяло за натрупване на топлина, съдържащо поне един материал с фазов преход с едно средство за пренос на топлина, включва най-малко две противоположни електрически изолирани стени на метално тяло за натрупване на топлина и тялото е конфигурирано да прилага електрическо напрежение към него за нагряване чрез преминаване на ток през средствата за пренос на топлина. Предложеният водонагревател предлага икономични, компактни и ефективни възможности за нагряване на вода и съхранение на топлина. 5 з.п. f-ly, 4 ил.

Настоящото изобретение се отнася до апарат за нагряване на вода (наричан по-долу за краткост апарат), като апаратът включва най-малко един резервоар за вода, вход за вода, изход за вода, нагревателно средство и метално тяло за съхранение на топлина, при което металното тяло за съхранение на топлина включва поне един материал за промяна на фазата.

За загряване на вода, в сравнение с механичните задачи, е необходимо голямо количество топлина. Ако тази енергия се взема от обществената електрическа мрежа, тогава мощността е ограничена от условията на свързване. Така например, в случай на проточни нагреватели, за загряване на обем вода, равен на 12 литра на минута, е необходима консумация на енергия от 21 kW. В топлинен акумулатор загряването на 100 литра вода с консумация на енергия 2 kW продължава 168 минути. Тези 100 литра вода трябва да се съхраняват, за да има достатъчно топла вода по всяко време. Този видсъхранението изисква, от една страна, голямо количество топлинен акумулатор, а от друга, е незадоволително от гледна точка на своята енергийна ефективност. За да се намали съхранението на топлина, трябва да се намери средство за съхранение, чрез което енергията, налична във водата, може да се съхранява в по-малка степен. Един от методите за съхраняване на големи количества енергия е използването на материали с фазов преход. Предимството на тази технология за съхранение на топлина се основава на факта, че в температурния диапазон, точно определен от точката на топене на използвания материал за съхранение, голямо количество топлинна енергия може да се съхранява в относително малка маса. Използването на фазов преход в този случай е много по-ефективно от обикновеното нагряване на средата. Така например, когато водата се втвърди, фазовият преход на течна вода към твърд лед, тоест при 0 ° C, освобождава приблизително същото количество топлина, колкото е необходимо за загряване на същото количество вода от 0 ° C до 80 ° C. Следователно специфичната енталпия на фазовата промяна е относително висока в сравнение със специфичния топлинен капацитет (за вода: енталпия на топене 334 kJ/kg, специфичен топлинен капацитет прибл.

Апарати, които използват материали с фазова промяна за съхранение на топлина, са известни в областта. Например DE 40 29 355 A1 описва слоест топлинен акумулатор с воден резервоар и топлообменник, разположен в него с захранване с гореща вода и изход за гореща вода, както и с вход за промишлена вода и изход за промишлена вода, като този топлинен акумулатор има пакети с фиксираща сол, които служат за увеличаване на потенциалното съхранениевъзможности. Този апарат, известен от предшестващото състояние на техниката, обаче има недостатъка, че фиксиращите солни пакети на апарата имат много ограничена топлопроводимост. Това е особено проблематично в твърдото състояние на материала с фазова промяна, тъй като циркулацията на топлина е ограничена в втвърдено състояние. Ако материалът с фазова промяна е заобиколен от кухо тяло и процесът на втвърдяване започва отвън, топлината от втвърденото вътрешно ядро едва може да проникне навън.

Въз основа на това предшестващо състояние на техниката, настоящото изобретение се основава на целта да осигури апарат, който има подобрена топлопроводимост.

Този проблем е решен за устройството с характеристики съгласно претенция 1 от претенциите. Предпочитани изпълнения и разработки на изобретението, които могат да се използват самостоятелно или в комбинация едно с друго, са предмет на зависимите претенции.

Апаратът съгласно изобретението е изграден на базата на конвенционални апарати, тъй като материалът за промяна на фазата има поне едно средство за пренос на топлина.

По този начин се постига топлопроводимост, значително подобрена в сравнение с предшестващото състояние на техниката. Ако материалът за промяна на фазата започне да се втвърдява, това се гарантира чрез пренос на топлина, което означава, че дори ако външните слоеве на материала за промяна на фазата вече са се втвърдили, топлината, освободена поради втвърдяването на вътрешните слоеве на материала за промяна на фазата, може свободно да проникне навън. Така ядрото също може да се втвърди.

Особено благоприятно е, ако топлоносителят съдържа графит и/или пяна. Тези материали са особено подходящи за пренасяне на топлината, генерирана по времепроцес на втвърдяване в ядрото. По този начин, след като краищата започнат да се втвърдяват, ядрото също може да се втвърди.

В този случай се оказа изгодно топлоносителят да съдържа въглеродни нанотръби. Въглеродните нанотръби, наричани още CNT (въглеродни нанотръби), са микроскопично малки тръбни структури (молекулярни нанотръби), направени от въглерод. Техните стени, подобно на стените на фулерените или като слоевете на графита, се състоят изключително от въглерод, а въглеродните атоми създават структура с шестоъгълници и съответно с три химически свързващи партньора. Максималният диаметър на тръбите е от порядъка на 1-50 nm, но са направени и тръби с диаметър 0,4 nm. Вече са създадени дължини, вариращи от няколко милиметра за отделни тръби до 20 см за снопове тръби. Прави се разлика между едностенни и многостенни тръби, отворени или затворени тръби, тръби с капачка, която има участък от фулеренова структура, както и празни и пълни тръби, например пълни със сребро, течно олово или благородни газове.

Също така ще бъде полезно, ако материалът с фазова промяна има точка на топене между 60 и 100°C. Подходящите материали за промяна на фазата включват парафини, захариди, газови хидрати, вода, водни солеви разтвори, евтектика от солена вода, солеви хидрати, смеси от солеви хидрати, соли и евтектични смеси от соли, хидроксиди на алкални метали, смеси от соли и хидроксиди на алкални метали, мастни киселини, олигомери, въглерод, алкохоли, каприлова киселина, метилов естер, метил палмитат, m ethylstea rat, смеси от киселини с къса верига, каприлова и/или лауролеинова киселина, кокосова мастна киселина и пропан и/или метан. Особено подходящи са соли, съдържащи литий и/или натрий и/или калий.

За технически приложения на батерии за съхранение на топлина с течни кристали, прекристализация точно под точката на топене обикновено е желателна. За да направите това, към материала трябва да се добавят подходящи семена, за да се предотврати преохлаждането на стопилката.

Ще бъде полезно, ако поне две срещуположни стени на металното тяло са електрически изолирани. По този начин може да се приложи електрическо напрежение и чрез преминаване на ток през електропроводимия материал с промяна на фазата и/или през средствата за пренос на топлина, елементът може да се нагрее. По този начин отоплението и съхранението на топлина се комбинират в един елемент по лесен и икономичен начин. Това създава особено полезен елемент за нагряване на вода, който може както да произвежда топлина, така и да я съхранява за бързо нагряване на големи обеми вода.

Особено изгодно ще бъде, ако в предпочитаното изпълнение металното тяло за съхранение на топлина е направено във формата на прът.

Освен това ще бъде полезно, ако в предпочитаното изпълнение апаратът има нагревателно средство.

Настоящото изобретение може да се формулира по следния начин: за нагряване на вода, в сравнение с механичните задачи, е необходимо голямо количество топлина. Ако тази енергия се взема от обществената електрическа мрежа, тогава мощността е ограничена от условията на свързване. В случай на проточни нагреватели, воден обем от 12 l/min изисква консумация на енергия от 21 kW. В колектора загряването на 100 литра вода с консумирана мощност от 2 kW продължава 168 минути. Тези 100 литра вода се съхраняват, за да има достатъчно топла вода по всяко време. За да се намали събирането, трябва да се намерисреда за съхранение, с която наличната енергия във водата може да се съхранява в малко количество. Един от методите за съхраняване на големи количества енергия са фазово променящите се топлинни акумулатори с фазово променящ се материал (PCM - Phase Change Material). Проблемът на топлинните акумулатори с фазова промяна е преносът на топлина, тъй като материалът става твърд и след това има само ограничена топлопроводимост, за разлика от течностите, които също могат да пренасят топлина чрез циркулация. Ако материалът с фазова промяна е заобиколен от кухо тяло, тогава процесът на втвърдяване започва отвън и топлината прониква много слабо до сърцевината. За да се подобри този топлопренос, се използват топлопреносни агенти за провеждане на топлина в материала за промяна на фазата.

Такива комбинации се използват в случай на слънчеви инсталации, например в комбинация от графитна матрица и физиологичен разтвор. В този случай устройството може да се състои от метален прът, който е пълен с разпенен графитен материал и физиологичен разтвор, чиято точка на топене е между 60 и 100°. За да се увеличи топлопроводимостта, към графитния материал могат да се добавят въглеродни нанотръби (Carbon Nanotubes). Като алтернатива може да се използва пяна, направена топлопроводима от въглеродни нанотръби, вместо графит. Освен това противоположните стени могат да бъдат изолирани. По този начин може да се приложи електрическо напрежение и чрез преминаване на ток през графита елементът може да се нагрее. Така отоплението и съхранението на топлина се комбинират в един елемент. Благодарение на разпенения графитен материал преносът на топлина от PCM е гарантиран. По този начин може да се произведе икономично устройство за съхранение на топлина. Чрез доппод формата на нагревател се създава идеален елемент за загряване на вода, с който е възможно по-бързо загряване и съхраняване на големи обеми вода. За разлика от приложенията в слънчеви електроцентрали, топлоакумулиращият прът може да се използва за загряване на битова вода. За да направите това, прътът за съхранение на топлина е монтиран в топлинния акумулатор. Когато водата се загрее, тя се зарежда и ако влезе студена вода, топлоакумулиращият прът отново отдава топлината си.

Устройството съгласно изобретението предлага икономични, компактни и ефективни възможности за загряване на вода и съхраняване на топлина.

Кратко описание на чертежите

Други предимства и други възможности за прилагане на изобретението са обяснени по-долу въз основа на различни изпълнения, които обаче не са ограничени до настоящото изобретение, а също и с позоваване на придружаващите чертежи. Те показват следното:

1 е схематичен изглед на първо изпълнение на устройството.

Фигура 2 е аксонометрична проекция на метално тяло за съхранение на топлина.

3 е напречно сечение на метално тяло за съхранение на топлина.

4 е схематичен изглед на друго изпълнение на устройството. Реализация на изобретението

В следващото описание на предпочитани изпълнения на настоящото изобретение подобни референтни номера се отнасят до подобни или сравними компоненти.

1 показва схематичен изглед на първо изпълнение на устройството 1. То включва резервоар за вода 2, вход за вода 3, изход за вода 4 и метално тяло 5 за съхраняване на топлина. Металното тяло за съхраняване на топлина 5 включва материал за промяна на фазата 6, както и поне едно средство за пренос на топлина 7, което включва графит и/или пяна. Лекарство 7за пренос на топлина съдържа въглеродни нанотръби за подобряване на топлопроводимостта. Освен това апарат 1 има нагревателен елемент 9.

Фигура 2 показва в аксонометрична проекция метално тяло 5, направено под формата на прът за съхранение на топлина. Такова прътовидно изпълнение може да бъде поставено в апарата по особено спестяващ място начин.

3 показва в схематичен напречен разрез метално тяло 5 за съхранение на топлина. Между двете противоположни стени 8а, 8Ь на металното тяло 5 за съхранение на топлина има материал 6 с фазова промяна. Освен това, за да се подобри преносът на топлина, между противоположните стени 8а, 8Ь има средства за пренос на топлина, които съдържат графит и/или пяна, като средствата за пренос на топлина 7 включват въглеродни нанотръби. Ако металното тяло 5 се охлади, за да съхранява топлина, по-студените слоеве, тоест външните слоеве, започват да се втвърдяват. С помощта на въглеродните нанотръби се гарантира, че слоевете от материал с фазова промяна, лежащи вътре, също се втвърдяват бързо, тъй като топлината, генерирана в този процес, може да бъде пренесена особено добре през въглеродните нанотръби.

4 показва в схематичен напречен разрез метално тяло 5 за съхранение на топлина. В това изпълнение двете срещуположни стени 8а и 8Ь са електрически изолирани. Между противоположните стени 8а, 8b има материал за фазова промяна 6, както и средство за пренос на топлина 7, което съдържа графит и също така има въглеродни нанотръби. Чрез изолиране на срещуположните стени може да се приложи електрическо напрежение, а чрез преминаване на ток през графита елементът може да се нагрее.топлина, комбинирана в един елемент. Чрез това допълнително изпълнение под формата на нагревател се създава идеален елемент за нагряване на вода, като елементът може да произвежда и съхранява топлина за бързо нагряване на големи обеми вода.