Устройство аккумулирования теплоты

Устройство аккумулирования теплоты

Реферат

 

Изобретение относится к двухслойным системам аккумулирования тепловой энергии, например энергии Солнца, в которых поглощение тепла осуществляется аккумулирующим слоем 24 и далее посредством теплоотдающего слоя 22 передается потребителю через трубу 30. Каждый слой (22,24) образован веществом, способным в диапазоне рабочих температур претерпевать фазовые превращения, при этом твердое состояние слоя 24 имеет плотность меньше, чем его жидкое состояние, а теплопередающий слой 22 образован жидким металлом, имеющим плотность выше, чем обе фазы аккумулирующего слоя 22. Изобретение позволяет повысить тепловую эффективность системы. 9 з.п.ф-лы, 19 ил.

Настоящее изобретение относится к устройству аккумулирования теплоты, особенно для использования в солнечной энергетической системе.

Аккумулирование энергии в форме теплоты представляет значительный интерес при управлении системами с многими энергиями, но наиболее актуально для солнечных энергетических систем. Более совершенными являются такие системы, которые основаны на системах, чувствительных к теплоте, или с фазовым переходом. Преимуществом систем с фазовым переходом над системами, чувствительными к теплоте, является их высокая теплоемкость. Например, большинство аккумулирующих теплоту веществ, основанных на чувствительности к теплоте, позволяет получить менее одной калории в градус по стоградусной шкале, тогда как при фазовом переходе из твердого состояния в жидкое можно получить 160 калорий в грамм без какого-либо изменения температуры. Однако, применение этих систем затруднительно, поскольку твердые вещества имеют тенденцию к осаждению в теплообменнике, что препятствует эффективной теплопередаче.

Многие солнечные приемники представляют собой трубчатые приемники и осаждение твердых веществ внутри труб может оказаться пагубным для системы.

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка улучшенного способа для аккумулирования теплоты, основанного на двух слоях с различными веществами, одно из которых используется для аккумулирования, а другое для теплоотдачи из слоя аккумулирования теплоты. Например, вещество, находящееся в фазе аккумулирования теплоты системы, представляет собой вещество с изменяющейся фазой и оно взаимодействует с другой фазой, представляющей собой жидкий металл, температура которого намного выше точки плавления и с плотностью (удельным весом), превышающей плотность вещества, находящегося в фазе аккумулирования. После накопления теплоты в фазе аккумулирования, отвод теплоты можно выполнить с помощью жидкого металла путем теплообмена при непосредственном соприкосновении со слоем аккумулирования и затем передать для использования в другую среду несколькими следующими различными способами: 1. Жидкий (расплавленный) металл может циркулировать в направлении другой окружающей среды, в которой он может осуществлять передачу теплоты.

2. Перенос теплоты можно выполнить, используя трубы, погруженные в жидкий металл. Трубы могут содержать жидкость, которая циркулирует внутри труб и отводит теплоту от стенок труб.

3. Теплопередача выполняется через стенки труб, погруженные в жидкий металл, но внутри труб находится вещество с высоким давлением пара и кипящая жидкость внутри труб испаряется с поглощением большого количества теплоты, что обычно связано с фазовым переходом из жидкости в пар. На практике такая система представляет собой "тепловую трубу". Пар может переносить теплоту в другую среду, после чего конденсируется в окружающей среде, в которой происходит окончательная передача теплоты. Конденсированная жидкость затем возвращается в источник (предпочтительно под действием силы тяжести) для повторения цикла.

4. Если жидкий металл выбран из металлов, обеспечивающих высокое давление пара, то тепловую трубу можно сформировать путем погружения коллектора, имеющего колоколообразную форму в жидкий металл, и пары металла собираются в трубах, которые объединяются в верхней части "колокола". С другой стороны, поскольку жидкий металл с высоким давлением пара должен находиться в закрытом сосуде, пар может собираться в свободном пространстве над жидкой фазой в этом закрытом сосуде.

Преимущество этой последней системы заключается в большой области соприкосновения между двумя фазами, которая обеспечивает очень эффективную передачу теплоты, и в очень большой теплопроводности жидкого металла. Эта система, соответствующая настоящему изобретению, является наиболее эффективной, поскольку она включает в себя очень эффективный шаг передачи теплоты от жидкости к пару в большой зоне соприкосновения.

Внутри каждой из двух фаз вышеупомянутых систем теплота эффективно распределяется при помощи конвекции с использованием большого объема вещества в каждой фазе. Небольшой наклон на дне сосуда, содержащий вещество с исходной фазой, позволяет увеличить свободную конвекцию внутри этой фазы в промежутке между слоями, где происходит теплопередача из слоя аккумулирования в теплопередающий слой.

Если слой аккумулирования представляет собой систему с изменяющейся фазой, то кристаллы будут осаждаться на границе раздела между слоями. Если слой аккумулирования является веществом, у которого плотность в твердом состоянии ниже, чем в жидком, то предпочтительно выбирать жидкий металл из вещества с более высокой плотностью, чем у слоя аккумулирования. Жидкий металл останется ниже слоя аккумулирования и твердое вещество, которое образуется на границе раздела, будет беспрепятственно всплывать на верх системы с переносом теплоты.

Если слой аккумулирования выбран из вещества, у которого твердая фаза имеет более высокую плотность, чем жидкая фаза, то плотность жидкого металла должна быть ниже, чем у слоя аккумулирования, чтобы металл плавал по слою аккумулирования и эффективно мог выполняться теплообмен из жидкого металла во внешнюю систему. Кристаллы, которые образуются в результате кристаллизации вещества, аккумулирующего теплоту, будут осаждаться на дне сосуда, не препятствуя теплообмену.

Если система аккумулирования является частью солнечной энергетической системы, то предпочтительная структура представляет такую структуру, у которой солнечный приемник представляет собой систему аккумулирования и солнечный свет непосредственно освещает верхнюю поверхность слоя аккумулирования. Предпочтительным является выбор этого слоя из вещества относительно прозрачного для солнечного света, чтобы свет мог проникать в объем, обеспечивая высокую эффективность конвекционного переноса теплоты.

Если вещество не является прозрачным, то слой металла может служить для поглощения света. Использование металлического слоя для поглощения света ограничено для металлов их низкой отражательной способностью и металлический слой предпочтительно используется в нижнем слое. Чтобы достигнуть освещения верхнего слоя в большой центральной приемной системе (гелиостатическое поле основано на множестве зеркал, следящих за солнцем, которые отражают солнечный свет по направлению к башне), можно использовать отражающую систему с башней, на которой размещается зеркало, отражающее вниз световые лучи. Выпуклое зеркало можно разместить ниже фокальной точки (или точки наведения) гелиостата, и вогнутое зеркало выше этой точки.

В системе отражателей вспомогательное зеркало располагается вблизи фокальной точки предпочтительно для отражения света по направлению к главной оси системы слежения, сохраняя таким образом приемник в фиксированной точке, и собирающая система будет располагаться в этой точке. В этом способе тяжелая собирающая система является стационарной, при этом основное зеркало является следящим. С другой стороны, вспомогательное зеркало не сохраняет стационарного положения, а управляется компьютером, отражая свет по направлению предварительно выбранного положения, в котором собирающая система является стационарной.

Новая солнечная система, соответствующая настоящему изобретению, включает в себя различные солнечные управляемые машины, которые преобразовывают тепловую энергию в механическую. Ими могут быть газовые турбины (с циклом Брайтона), паровые турбины, машины Стерлинга и другие тепловые двигатели. Обычно газовые турбины и паровые турбины характерны для большинства систем, при этом отражательные системы часто используются для небольших двигателей Стерлинга. Необходимо отметить, что пар в тепловой трубе можно использовать как часть тепловой машины, например, в случае двигателя Стерлинга, в которых пары натрия можно использовать в качестве внутреннего элемента в машине, и в такой установке натрий выбирается в качестве жидкого металла в системе аккумулирования и передачи теплоты.

Систему, соответствующую настоящему изобретению, можно использовать также для передачи солнечной энергии в солнечные химические реакторы, подобные солнечным преобразователям или солнечным системам газификации или для хранения солнечной энергии, предназначенной для тепловых процессов.

Расплавленные соли можно использовать в качестве вещества, аккумулирующего теплоту, как для аккумулирования на основе чувствительности к теплоте, так и вещества с изменяющейся фазой. Согласно настоящему изобретению, особое преимущество заключается в выборе пар металлов и солей тех же самых металлов в качестве бинарных систем. Этот выбор или их сочетание уменьшает вероятность химических реакций между слоями. Щелочные металлы имеют низкую температуру плавления, относительно высокое давление пара и низкий удельный вес. Таким образом, они наиболее пригодны для применения в таких системах. Многие фтористые соединения имеют высокую теплотворную способность, сохраняют относительно высокую стабильность при высоких температурах и могут использоваться в предлагаемых системах аккумулирования и передачи теплоты. Магний можно использовать в сочетании со своими солями, при этом магний имеет высокое давление пара, низкую плотность и в общем является более безопасным для использования, чем щелочные металлы. Алюминий имеет низкую температуру плавления, но очень высокую температуру кипения и может использоваться в случае, когда важна безопасность и не используется горячая труба. Цинк является относительно тяжелым металлом и может использоваться в качестве нижнего металлического слоя. Относительно высокое давление пара цинка дает возможность его использования в приложениях с горячей трубой. Свинец и олово могут использоваться в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения и являются образцами тяжелых жидких металлов с низким давлением пара.

Соли щелочных металлов типа хлорида натрия или фтористого натрия, хлорида калия, хлорида кальция и хлорида магния представляют собой образцы солей, которые можно использовать в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения. В расплавленном виде их можно использовать в различных приложениях настоящего изобретения, включая аккумулирование теплоты. Эфтептические смеси или смешанные соли также используются в изобретении. Характерные образцы этих веществ свидетельствует о том, что существует большой выбор солей и металлов, которые можно использовать для различных условий и приложений настоящего изобретения.

В случае, когда в системе используется тяжелый металл, в нижней части системы образуется большое гидравлическое давление. Это давление можно скомпенсировать за счет внутреннего давления в трубчатом теплообменнике, связанном с системами высокого давления аналогично газовым турбинам. Этот эффект очень важен, поскольку механическая прочность многих веществ ухудшается при высокой температуре. Находясь в состоянии кипения, рабочий газ, проходящий через слой тяжелой жидкости, является другим важным аспектом настоящего изобретения, поскольку непосредственный теплообмен, возникающий при соприкосновении двух фаз, наиболее эффективен по сравнению с теплообменом, осуществляемым через стенки труб или других сосудов.

В настоящем изобретении перенос теплоты посредством свободной конвекции внутри каждой фазы системы представляет собой предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения. Однако в некоторых случаях подобно случаю, в котором нагревание выполняется в верхней части одного из слоев или когда происходит теплоотдача из нижнего слоя, в качестве альтернативы можно использовать принудительную конвекцию, или в качестве дополнения для достижения необходимого переноса теплоты. Принудительная конвекция может быть достигнута при помощи механических систем, подобных циркуляционным насосам или смесителям, или с помощью кипения инертного газа, проходящего через один из жидких слоев или каждый по отдельности.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его осуществления со ссылками на иллюстрирующие чертежи, на которых представлено следующее: фиг. 1a - d изображают систему с двумя слоями, в которой верхний слой является слоем теплоотдачи и нижний слой является накопителем теплоты: фиг. 1a - слои, один из которых расположен над верхней частью другого, в расплавленном виде; фиг. 1b - циркуляция слоя теплоотдачи, используемого для теплопередачи; фиг. 1c - трубы, погруженные в слой теплоотдачи, который содержит жидкость, которая циркулирует внутри труб для передачи теплоты внешней системе; и фиг. 1d - внешняя тепловая труба, погруженная в верхний слой, используемый для теплопередачи.

фиг. 1e и 1f - две конфигурации тепловых труб, основанные на испарении слоя теплоотдачи.

фиг. 1g - тепловая труба, снабженная миниатюрными трубками внутри систем приема для повышения теплопередачи взамен металлических радиаторных пластин, как показано на фиг. 1, 12 и 1f.

фиг. 2a, b, c, d и e - подобные системы, в которых металлические слои являются нижними слоями.

фиг. 2f - система, в которой сосуд выполнен с наклоном дна для повышения свободной конвекции нижнего уровня.

фиг. 3a - d - солнечные системы: фиг. 3a - прозрачная система аккумулирования теплоты и верхний слой жидкого металла.

фиг. 3b - верхний слой жидкого металла и металлический слой, используемый для поглощения солнечного света, фиг. 3c - металлический слой в качестве нижнего слоя и поглощение света в верхнем слое, фиг. 3d - нижний металлический слой, используемый для поглощения света.

фиг. 4 - солнечная система, в которой солнечный свет выбирается посредством гелиостатического поля и зеркало размещается на башне и отражает свет в систему аккумулирования.

фиг. 5 - солнечный отражатель с системой аккумулирования, размещенной на оси вращения так, чтобы свет, собранный отражателем, отражался вспомогательными зеркалами в систему аккумулирования.

фиг. 5b - солнечный отражатель с системой сбора, размещенный на земле, и световыми лучами, достигающими систему аккумулирования от отражателя, лицевой поверхностью обращенной к солнцу, непрерывно через вспомогательное зеркало, которое перемещается по сигналу отдельного блока управления, который постоянно следит за положением вспомогательного зеркала, чтобы свет отражался в систему аккумулирования.

На фиг. 1d представлена система с двумя слоями, находящаяся в сосуде 20. Верхний слой 22 является жидким металлом (выводящим теплоту) и нижний слой 24 представляет собой жидкую соль (накапливающую теплоту). Вещества выбираются из тех, которые подробно описаны выше. Теплообмен происходит на поверхности раздела двух слоев. На фиг. 1b изображены трубы, начинающиеся в слое 22 и ведущие из сосуда 20 для отвода жидкого металла с целью дальнейшего использования или теплопередачи и возвращения жидкого металла в сосуд 20. На фиг. 1c показаны трубы 28, погруженные в верхнем слое 22. Подходящая жидкость протекает через трубы 28 для теплоотдачи из верхнего слоя 22 жидкого металла. Трубы 28 выходят из сосуда 22 и обеспечивают систему циркуляции, которые могут закрываться и открываться по требованию. На фиг. 1d показана внешняя труба 30, погруженная в верхний слой 22. Жидкий металл верхнего слоя 22 может протекать в трубе 30. Верхняя часть трубы 50 снабжена радиаторными пластинами 32 и верхняя часть с радиаторными пластинами содержится в сосуде 34, через который может протекать жидкость для передачи теплоты через радиаторные пластины 32.

Труба 30, изображенная на фиг. 1e, не погружена в верхний слой 22, а размещена над ней, открываясь в пространстве 36, заполненным паром, над слоем 22. В этом варианте осуществления настоящего изобретения, верхний слой 22 жидкого металла достаточно легко испаряется так, что горячий пар входит в трубу 30 и выполняет перенос теплоты в жидкость, протекающую в сосуде 34 через радиаторные пластины 32.

Представленная на фиг. 1f труба 30 снабжена колоколом 38 с большим отверстием для повышения эффективности сбора жидкого металла или пара из верхнего слоя 22. Изображенный на фиг. 1g верхний конец трубы 30 оборудован миниатюрными трубками 40, которые открываются в трубе 30 для повышения передачи теплоты от пара или жидкости.

На фиг. 2a - e показаны системы, в которых слой жидкого металла находится ниже слоя жидкой соли. Одинаковые части устройства обозначены теми же самыми позициями. Изображенная на фиг. 2c и d труба 30 должна проходить через слой 24 жидкой соли для погружения в слой 22 жидкого металла. Показанный на фиг. 2e слой 22 жидкого металла имеет расширение в боковом направлении, выходящее за слой жидкой соли для выполнения бокового расширения 50, доступного снаружи. В этом случае труба 30 с колоколообразным отверстием 38 своим нижним концом погружена в слой 22 на боковом расширении 50. На фиг. 2f изображен сосуд 20, выполненный с наклонным дном 21, для повышения эффективности конвекции в нижнем слое 22.

На фиг. 3a - d показана новая система аккумулирования теплоты и теплопередачи, входящая в состав солнечной энергетической системы. На фиг. 3a показана прозрачная система аккумулирования теплоты с верхним слоем 22 жидкого металла, отделенного от нижнего слоя жидкой соли экраном 60, который позволяет солнечной энергии 62 непосредственно направляться на и поглощаться в незащищенной части жидкой соли. На фиг. 3b верхний жидкий металл является прозрачным. На фиг. 3c показано поглощение солнечной энергии 62 верхним слоем 24 жидкой соли. Сосуд 20 имеет наклонное дно 21 и трубки 28 теплопередачи погружены в слой 22 жидкого металла. Солнечная энергия поступает в сосуд 20 через прозрачный узел 64. На фиг. 3d изображено, что сосуд 20 выполнен с боковым расширением 50, имеющим прозрачный верх с возможностью проникновения солнечной энергии 62 и поглощения нижним слоем 22 жидкого металла.

На фиг. 4 показана солнечная энергетическая система, в которой солнечный свет 62 собирается гелиостатическим сборником 70, состоящим из зеркал 72, расположенных на стойках 74, находящихся на земле или на подходящей платформе 76. Зеркала 72 соответственно направлены вперед на выпуклое зеркало 78, смонтированное на вышке (не показано). Зеркала 78 фокусируют отраженную солнечную энергию на новое устройство 80 аккумулирования теплоты настоящего изобретения (в виде, как описано выше).

На фиг. 5a показан солнечный отражатель 90, отражающий солнечную энергию 60 в устройство 80 аккумулирования теплоты. Отражатель 90 вращается вокруг оси 92 и во всех положениях (показано два положения) отражает солнечную энергию на вспомогательное зеркало 94, которое фокусирует ее в устройство 80. Солнечный отражатель 90, изображенный на фиг. 5b, вращается вокруг оси 92. Устройство 80 расположено на земле. Вспомогательное зеркало 94 управляется посредством соответствующего двигателя и связано с зеркалом 90, постоянно отражающим свет в устройство 80. Датчик следит за отклонением солнечной энергии от зеркала 90 и контроллер в блоке управления 96 управляет двигателем связи 98 и вспомогательным зеркалом, чтобы направлять солнечную энергию, отраженную от отражателя 90 в устройство 80.

Хотя в целях иллюстрации изобретения были раскрыты предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что различные модификации, добавления и изменения возможны без изменения сущности и объема изобретения в том виде, как оно раскрыто в формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Система с двухслойным аккумулированием теплоты, содержащая два слоя, находящихся в соприкосновении друг с другом, в которой один слой является слоем, аккумулирующим теплоту, и другой слой является слоем с промежуточной фазой, используемым для теплоотдачи, в которой слой аккумулирования теплоты является слоем с изменяющейся фазой, при этом твердое состояние слоя с изменяющейся фазой имеет плотность меньше, чем у слоя с изменяющейся фазой, находящегося в жидком состоянии, и слой с промежуточной фазой является слоем жидкого металла, имеющий плотность выше, чем обе фазы слоя с изменяющейся фазой.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что перенос теплоты во внешнюю систему достигается при помощи циркуляции жидкости, переносящей теплоту.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что перенос теплоты во внешнюю систему достигается при помощи жидкости, циркулирующей в трубах, которые погружены в жидкость, переносящую теплоту.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что перенос теплоты во внешнюю систему достигается при помощи внешней тепловой трубы, погруженной в жидкость, переносящей теплоту.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что слой с промежуточной фазой является испаряющимся жидким металлом, и перенос теплоты во внешнюю систему достигается путем конденсации пара слоя жидкого металла, находящегося в промежуточной фазе, и возвращения конденсированного жидкого металла в слой с промежуточной фазой посредством силы притяжения или прокачки.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что система аккумулирования теплоты является элементом в солнечной энергетической системе.

7. Система по п.6, отличающаяся тем, что солнечная энергетическая система содержит систему концентрирования, основанную по меньшей мере на одноосевом слежании за перемещением солнца.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что солнечная энергия непосредственно принимается слоем аккумулирования теплоты, который является верхним слоем.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что слой жидкого металла отделяется от слоя аккумулирования теплоты экраном, посредством чего солнечная энергия непосредственно принимается и поглощается слоем аккумулирования теплоты.

10. Система по п. 1, отличающаяся тем, что слой жидкого металла имеет прозрачный верх для обеспечения проникновения солнечной энергии в слой жидкого металла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11