Апарат для нагрівання води

Власники патенту UA 2502925:

Винахід відноситься до енергетики та може використовуватися в апаратах для нагрівання води. Сутність винаходу в тому, що апарат для нагрівання води щонайменше містить бак для води, впуск і випуск для води, а також металеве тіло для накопичення тепла, що містить щонайменше один матеріал з фазовим переходом з одним засобом для теплопередачі, включає щонайменше дві протилежні електрично ізольовані стінки металевого тіла для накопичення тепла, а тіло виконано з можливістю докладання до нього електричної напруги для нагрівання за допомогою струму проходження через засіб для теплопередачі. Запропонований апарат для нагрівання води пропонує економічні, компактні та ефективні можливості нагрівання води та накопичення тепла. 5 з.п. ф-ли, 4 іл.

Даний винахід відноситься до апарату для нагрівання води (далі для стислості званий апарат), причому апарат містить щонайменше один бак для води, впуск води, випуск води, нагрівальний засіб, а також металеве тіло для накопичення тепла, причому металеве тіло для накопичення тепла містить щонайменше один матеріал із фазовим переходом.

Для нагрівання води, в порівнянні з механічними завданнями, потрібна велика кількість тепла. Якщо ця енергія береться з комунальної електромережі, потужність обмежена умовами підключення. Так, наприклад, у разі проточних нагрівачів для нагрівання об'єму води, що дорівнює 12 л, за хвилину потрібно споживання потужності, що дорівнює 21 кВт. У теплоакумуляторі нагрівання 100 л води при споживанні потужності, що дорівнює 2 кВт, триває 168 хвилин. Ці 100 л води повинні бути запасені для того, щоб будь-якої миті мати теплу воду в достатній кількості. Такий вигляднакопичення вимагає, з одного боку, великого об'єму теплоакумулятора, з іншого боку є незадовільним з погляду його енергоефективності. Щоб зменшити теплоакумулятор, повинен бути знайдений засіб накопичення, за допомогою якого енергія, що є у воді, може бути накопичена в меншому обсязі. Одним із методів накопичення великих обсягів енергії є застосування матеріалів із фазовим переходом. Перевага такої технології накопичення тепла ґрунтується на тому, що в температурному діапазоні, точно встановленому за допомогою температури плавлення використовуваного акумулюючого матеріалу, велика теплова енергія може бути акумульована відносно невеликою масою. Використання фазового переходу при цьому значно ефективніше, ніж просте нагрівання середовища. Так, наприклад, при застиганні води фазовий перехід рідкої води в твердий лід, тобто при 0°С, виділяється приблизно стільки ж тепла, скільки потрібно нагрівання тієї ж кількості води від 0°С до 80°С. Специфічна ентальпія фазового переходу, таким чином, відносно висока в порівнянні зі специфічною теплоємністю (для води: ентальпія плавки 334 кДж/кг, специфічна теплоємність приблизно 4,19 кДж*кг -1 *К -1 ), за допомогою чого щільність енергії істотно вище за порівняно з теплоакумуляторами.

Апарати, які використовують матеріали із фазовим переходом для накопичення тепла, відомі з рівня техніки. Так, наприклад, DE 40 29 355 А1 описує шаруватий теплоакумулятор з водним резервуаром і з розташованим у ньому теплообмінником з підведенням гарячої води та з випуском гарячої води, а також з підведенням технічної води та з випуском технічної води, причому цей теплоакумулятор має упаковки з фіксацією сіллю, що служать для збільшення потенційної накопичувальноїМожливості. Цей відомий з рівня техніки апарат має, проте, недолік, що полягає в тому, що упаковки з сіллю, що фіксує, апарату мають сильно обмежену теплопровідність. Це особливо проблематично у твердому стані матеріалу з фазовим переходом, так як у затверділому стані циркуляція тепла обмежена. Якщо матеріал з фазовим переходом оточений порожнім тілом, і процес твердіння починається зовні, то тепло від застиглої внутрішньої серцевини може проникати назовні тільки важко.

Виходячи з цього рівня техніки, в основі цього винаходу лежить завдання створення апарату, що має покращену теплопровідність.

Це завдання вирішується для апарату з ознаками згідно з п.1 формули винаходу. Переважні варіанти здійснення та розвитку винаходу, які можуть застосовуватися окремо або в комбінації один з одним, є об'єктом залежних пунктів формули винаходу.

Запропонований винаходом апарат побудований на основі звичайних апаратів за допомогою того, що матеріал із фазовим переходом має щонайменше один засіб для теплопередачі.

Тим самим досягається теплопровідність, істотно поліпшена в порівнянні з рівнем техніки. Якщо матеріал з фазовим переходом починає застигати, то засобом для теплопередачі гарантується, що і в тому випадку, коли зовнішні шари матеріалу з фазовим переходом вже застигли, тепло, виділене внаслідок застигання внутрішніх шарів матеріалу фазового переходу, може безперешкодно проникати назовні. Таким чином, може застигати також серцевина.

Особливо переважно, якщо засіб для теплопередачі містить графіт та/або пінопласт. Ці матеріали особливо добре підходять для того, щоб переносити назовні тепло, що виділяється під часпроцесу застигання в серцевині. Таким чином, після того, як починають застигати крайові області, може застигнути також серцевина.

При цьому переважно виявилося, якщо засіб для теплопередачі містить вуглецеві нанотрубки. Вуглецеві нанотрубки, також звані CNT (Carbon Nanotubes), є мікроскопічно маленькими трубчастими структурами (молекулярні нанотрубки) з вуглецю. Їхні стінки складаються, як і стінки фулеренів або як і шари графіту, виключно з вуглецю, причому атоми вуглецю створюють структуру з шестикутниками і, відповідно, з трьома партнерами хімічного зв'язку. Діаметр трубок максимально лежить в області 1-50 нм, але були виготовлені також трубки з діаметром 0,4 нм. Вже було створено довжини від кількох міліметрів окремих трубок і до 20 див для зв'язок трубок. Розрізняють одно- та багатостінні трубки, відкриті або закриті трубки, трубки з кришкою, яка має секцію з фулеренової структури, а також порожні та наповнені трубки, наприклад, наповнені сріблом, рідким свинцем або благородними газами.

При цьому переважно буде також, якщо матеріал з фазовим переходом має точку плавлення між 60 і 100°С. Придатні для цього матеріали з фазовим переходом включають парафіни, сахариди, гідрати газу, воду, водні розчини солей, евтектику солоної води, гідрати солей, суміші з гідратів солей, солі та евтектичні суміші солей, гідроксиди лужних металів, суміші із солей та гідроксидів лужних металів , жирні кислоти, олігомери, вугілля, спирти, каприлову кислоту, складний метиловий ефір, метилпальмітат, метилстеарат, суміші коротколанцюгових кислот, каприлову та/або лауролеїнову кислоту, кокосову жирну кислоту, а також пропан та/або метан. Особливо підходять солі, що містять літій, та/або натрій, та/або калій.

Для технічного застосування рідкокристалічних акумуляторів теплоти фазового переходу, як правило, бажана рекристалізація трохи нижче температури плавлення. Для цього в матеріал повинні бути додані відповідні затравки, які запобігають переохолодженню розплаву.

Переважним буде, якщо щонайменше дві протилежні стінки металевого тіла електрично ізольовані. Тим самим, може бути прикладена електрична напруга, і через проходження струму через електропровідний матеріал з фазовим переходом та/або через засіб для теплопередачі може нагріватися елемент. Тим самим, простим та економічним чином нагрівання та накопичення тепла об'єднані в одному елементі. Завдяки цьому створюється особливо переважний елемент для нагрівання води, який може виробляти тепло, так і накопичувати його для швидкого нагрівання великих обсягів води.

Особливо вигідним буде, якщо у кращому варіанті реалізації металеве тіло для накопичення тепла виконане у вигляді стрижня.

Крім того, переважним буде, якщо у кращому варіанті реалізації апарат має нагрівальний засіб.

Даний винахід може бути сформульовано наступним чином: для нагрівання води, порівняно з механічними завданнями, потрібна велика кількість тепла. Якщо ця енергія береться з комунальної електромережі, потужність обмежена умовами підключення. У разі проточних нагрівачів для об'єму води, що дорівнює 12 л/хв, потрібно споживання потужності, що дорівнює 21 кВт. У збірнику нагрівання 100 л води при споживанні потужності, що дорівнює 2 кВт, триває 168 хвилин. Ці 100 л води запасаються для того, щоб будь-якої миті мати теплу воду в достатній кількості. Щоб зменшити збірку, має бути знайденаакумулююче середовище, за допомогою якого енергія, що є у воді, може бути накопичена в невеликому обсязі. Одним із методів накопичення великих обсягів енергії є акумулятори теплоти фазового переходу з матеріалом із фазовим переходом (РСМ - Phase Chnage Material). Проблема акумуляторів теплоти фазового переходу полягає у передачі тепла, так як матеріал стає твердим і має тоді лише обмежену теплопровідність, на відміну від рідин, які можуть переносити тепло також за допомогою циркуляції. Якщо матеріал з фазовим переходом оточений порожнім тілом, процес застигання починається зовні, і тепло дуже погано проникає до серцевини. Щоб покращити цю теплопередачу, для теплопровідності у матеріалі із фазовим переходом застосовуються теплопровідні речовини.

Такі комбінації застосовуються у разі геліотехнічних установок, наприклад, у комбінації графітової матриці та сольового розчину. При цьому пристрій може складатися з металевого стрижня, який наповнений спіненим графітовим матеріалом і розчином сольовим, точка плавлення яких лежить між 60 і 100°. Щоб збільшити теплопровідність, графітовий матеріал можуть бути додані вугільні нанотрубки (Carbon Nanotubes). Альтернативно цьому замість графіту може бути використаний пінопласт, зроблений теплопровідним завдяки вугільним нанотрубкам. Далі розташовані один навпроти одного стінки можуть бути ізольовані. Тим самим, може бути прикладена електрична напруга, і через проходження струму через графіт може нагріватися елемент. Таким чином, нагрівання та накопичення тепла об'єднані в одному елементі. Завдяки спіненому графітовому матеріалу гарантується передача тепла з РСМ. Таким чином, економічно може бути виготовлений теплоакумулятор. За допомогою додатковоговиконання у вигляді нагрівача, створюється ідеальний елемент для нагрівання води, за допомогою якого можна швидко нагрівати і зберігати великі обсяги води. На відміну від застосування на сонячних електростанціях, теплоакумулюючий стрижень може бути використаний для нагрівання води у побуті. Для цього теплоакумулюючий стрижень монтується у теплоакумуляторі. При нагріванні води він заряджається, а якщо надходить холодна вода, теплоакумулюючий стрижень знову віддає своє тепло.

Запропонований винаходом апарат пропонує економічні, компактні та ефективні можливості нагрівання води та накопичення тепла.

Короткий опис креслень

Інші переваги та інші можливості реалізації винаходу пояснюються нижче на підставі різних варіантів реалізації, якими однак не обмежується даний винахід, а також з посиланням на креслення, що додаються. На них показано таке:

Фіг.1 - схематичний вигляд першого варіанта реалізації апарату.

Фіг.2 - аксонометрична проекція металевого тіла для накопичення тепла.

Фіг.3 – поперечний розріз металевого тіла для накопичення тепла.

Фіг.4 - схематичний вигляд іншого варіанта реалізації апарату. Здійснення винаходу

У наведеному нижче описі кращих варіантів реалізації цього винаходу однакові номери позицій означають однакові або порівняні компоненти.

Фіг.1 показує схематичний вигляд першого варіанту реалізації апарату 1. Він містить бак 2 для води, впуск води 3, випуск 4 води, а також металеве тіло 5 для накопичення тепла. Металеве тіло 5 для накопичення тепла містить матеріал 6 з фазовим переходом, а також щонайменше один засіб 7 для теплопередачі, яке містить графіт та/або пінопласт. Засіб 7для теплопередачі містить вугільні нанотрубки для покращення теплопровідності. Крім того, апарат має 1 нагрівальний елемент 9.

Фіг.2 показує аксонометрической проекції виконане у вигляді стрижня металеве тіло 5 для накопичення тепла. Такий виконаний у вигляді стрижня варіант реалізації може бути розміщений в апараті з особливою економією місця.

Фіг.3 показує у схематичному поперечному розрізі металеве тіло 5 для накопичення тепла. Між двома розташованими один навпроти одного стінками 8а, 8b металевого тіла 5 накопичення тепла знаходиться матеріал 6 з фазовим переходом. Для поліпшення передачі тепла, крім того, між розташованими один навпроти одного стінками 8а, 8b розташовані засоби передачі тепла, які містять графіт і/або пінопласт, причому засіб для теплопередачі 7 містить вугільні нанотрубки. Якщо металеве тіло 5 для накопичення тепла охолоджується, холодніші шари, тобто зовнішні шари, починають застигати. За допомогою вугільних нанотрубок гарантується, що шари матеріалу, що лежать всередині, з фазовим переходом також швидко застигають, так як виділяється при цьому тепло через вугільні нанотрубки особливо добре може бути виведено назовні.

Фіг.4 показує у схематичному поперечному розрізі металеве тіло 5 для накопичення тепла. У цьому варіанті реалізації дві протилежні стінки 8а і 8b електрично ізольовані. Між протилежними стінками 8а, 8b знаходиться матеріал 6 з фазовим переходом, а також засіб 7 для теплопередачі, яке містить графіт, а також вугільні нанотрубки. Через те, що протилежні стінки ізольовані, може бути прикладена електрична напруга, і за допомогою проходження струму через графіт може нагріватися елемент. Тим самим, нагрівання та накопиченнятепла об'єднані в одному елементі. За допомогою такого додаткового виконання у вигляді нагрівача створюється ідеальний елемент для нагрівання води, причому елемент може виробляти і зберігати тепло для швидкого нагрівання великих обсягів води.