Результат интеллектуальной деятельности: ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР ДЛЯ НАГРЕВА ГАЗА

Изобретение относится к тепловой энергетике и может быть использовано в космической технике для нагрева газов и компонентов топлива ракетных двигателей, в самолетостроении и других отраслях промышленности.

Известен кауперный электронагреватель газов [1], содержащий корпус с патрубками входа и выхода, в котором размещены теплоаккумулирующая насадка и элементы ее разогрева, предназначенный для периодического нагрева газа за счет тепла, аккумулированного в процессе предварительного разогрева насадки. Недостатком известного электронагревателя является низкая эффективность теплопередачи вследствие ограниченной поверхности теплосъема, обусловленной формой насадки, выполненной в виде параллельных плоских стен.

Более эффективным является принятый за прототип тепловой аккумулятор для нагрева газа [2], содержащий корпус, теплоаккумулирующий элемент в виде моноблока, патрубки входа и выхода газа, теплоизоляцию, плоский электрический нагреватель с токоподводами. В этом аккумуляторе обеспечена развитая поверхность теплосъема, высокий объемный коэффициент теплоотдачи при уменьшенных габаритах и массе конструкции. Вместе с тем использование теплоаккумулирующего элемента в виде моноблока не позволяет увеличивать тепловую емкость, так как это требует увеличить массу нагреваемого газа, либо за счет увеличения температуры предварительного нагрева теплоаккумулирующего элемента, либо за счет увеличения его габаритов. В обоих случаях при подаче подогреваемого газа возрастает градиент температуры в конструкции и, соответственно, уровень термических напряжений в теплоаккумулирующем элементе.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения запасаемой тепловой мощности, увеличения надежности и долговечности работы, т.е. эффективности работы теплового аккумулятора.

Для достижения этого технического результата в тепловом аккумуляторе, содержащем корпус с крышками, теплоаккумулирующий блок, теплоизоляцию, патрубки входа и выхода газа, каналы для прохода подогреваемого газа, электрический нагреватель с токоподводом и электроизоляцией, корпус аккумулятора состоит из внутреннего герметичного и наружного негерметичного корпусов, равномерный зазор между которыми заполнен внутренней теплоизоляцией, имеющей волокнистую структуру, во внутреннем корпусе размещен теплоаккумулирующий блок, состоящий из секторных элементов, стыкуемых с образованием компенсационных зазоров по продольным выступам на боковых поверхностях элементов и формирующих внутреннюю полость для размещения электрического цилиндрического нагревателя, при этом в секторных элементах равномерно по окружности расположены каналы, в которых установлены по плотной посадке теплообменники в виде трубопроводов, стенки которых прочно скреплены с зерновой засыпкой, концы трубопроводов закреплены крышками-рассекателями с уплотнителями в передней и задней крышках внутреннего герметичного корпуса, формирующие с помощью двух дополнительных крышек коллекторные полости для ввода и вывода газа, а внешняя экранно-вакуумная теплоизоляция размещена за наружным корпусом в виде нескольких групп замкнутых коаксиальных цилиндров, установленных на центрирующих опорах, закрепленных на крышках наружного корпуса и имеющих уменьшающуюся толщину стенок от слоя к слою.

В качестве материала для изготовления герметичного корпуса может быть использован углерод-углеродистый композиционный материал, имеющий коэффициент линейного расширения меньше, чем аналогичная характеристика у материала теплоаккумулирующего блока. Наружная экранно-вакуумная теплоизоляция может быть выполнена из слоев гофрированной фольги ниобия и молибдена, разделенных волокнистым заполнителем из угольного волокна, прошедшего графитизацию.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что использование соединенных между собой внутреннего герметичного и наружного негерметичного корпусов, равномерный зазор между которыми заполнен внутренней теплоизоляцией с волокнистой структурой, позволяет уменьшить тепловые потери и снизить температуру на наружной поверхности теплового аккумулятора, что упростит и снизит массу конструкции системы установки аккумулятора. Использование теплоаккумулирующего блока из секторных элементов, стыкуемых с образованием компенсационных зазоров по продольным выступам на боковых поверхностях элементов, позволяет обеспечить целостность конструкции за счет снижения уровня термических напряжений при увеличении тепловой емкости аккумулятора, а формирование внутренней полости для установки нагревателя в сочетании с цилиндрическим нагревателем позволяет повысить эффективность подвода лучистой тепловой энергии к теплоаккумулирующему блоку за счет исключения реизлучения. Наличие в секторных элементах теплоаккумулирующего блока каналов позволяет использовать теплообменники в виде трубопроводов как центрирующие и упростить технологическую оснастку для сборки аккумулятора и, следовательно, ее стоимость. Установка в каналы по плотной посадке теплообменника в виде трубопровода позволяет уменьшить массу аккумулятора за счет исключения системы герметизации секторов теплоаккумулирующего блока. Плотная посадка, а также конструкция теплообменника, в котором силовая оболочка прочно скреплена с зерновой засыпкой, позволяет увеличить коэффициент контактной теплопроводности на границах секторного элемента и теплообменника. Фиксация трубопроводов в передней и задней крышках колпаками-рассекателями с уплотнителями позволяет исключить попадание нагреваемого газа в зазоры между секторами и разрушение материала теплоаккумулирующего блока из-за взаимодействия газа с материалом блока при высокой температуре. Равномерное расположение трубопроводов по окружности и равные компенсационные зазоры обеспечивают исключение появления зон с повышенным уровнем контактных напряжений из-за теплового расширения деталей при нагреве и охлаждении. Изготовление внешней экранно-вакуумной теплоизоляции в виде нескольких групп замкнутых коаксиальных цилиндров из разных материалов, с уменьшающейся от слоя к слою толщиной, позволяет уменьшить массу изоляции, необходимую для снижения тепловых потерь с внешней поверхности аккумулятора. Размещение внешней теплоизоляции на опорах, закрепленных на крышках наружного корпуса, позволяет уменьшить ее массу за счет более плотной компановки.

Использование для изготовления герметичного корпуса углерод-углеродного композиционного материала с меньшим, чем у материала теплоаккумулирующего блока, коэффициентом линейного расширения при нагреве приводит к появлению натяга на границе деталей, а при подаче в аккумулятор газа уровень контактных напряжений на границе деталей в этом случае будет более низким.

Для снижения массы опорных элементов экранно-ваккумная теплоизоляция выполнена из слоев гофрированной фольги из молибдена и ниобия, разделенных волокнистым заполнителем из угольного волокна, прошедшего графитизацию.

На фиг. 1 и 2 приведена конструкция предлагаемого теплового аккумулятора для нагрева газа.

Тепловой аккумулятор состоит из внутреннего герметичного корпуса 1, соединенного с наружным негерметичным корпусом 2, зазор между которыми заполнен внутренней теплоизоляцией 3. Во внутреннем корпусе размещен теплоаккумулирующий блок 4, состоящий из секторных элементов 5, в каждом из которых установлен трубопровод 6. Секторные элементы, стыкуемые по продольным выступам, образуют внутреннюю полость для размещения цилиндрического нагревателя 7. Трубопровод (канал для подогреваемого газа) для интенсификации теплообмена при проходе газа заполнен зерновой засыпкой (системой стержней) 8, прочно скрепленной со стенками трубопровода, образуя теплообменный блок. Концы трубопроводов закреплены колпаками-рассекателями 9 с уплотнителями в передней 10 и задней 11 крышках герметичного корпуса, в которых с помощью дополнительных крышек 12 и 13 формируются коллекторные полости 14, 15 для ввода и вывода газа. Трубопроводы располагаются равномерно по окружности, удерживая секторные элементы и обеспечивая равные компенсационные зазоры 16 в теплоаккумулирующем блоке. Внешняя экранно-вакуумная теплоизоляция 17 размещена за наружным корпусом на центрирующих опорах 18, закрепленных на крышках наружного корпуса 19, 20.

При работе теплового аккумулятора происходит нагрев теплоаккумулирующего блока 4 электрическим нагревателем 7, при этом теплоаккумулирующий блок расширяется, заполняя компенсационные зазоры 16. Одновременно при нагреве теплоаккумулирующего блока нагреваются трубопроводы 6 с засыпкой 8, обеспечивая плотный тепловой контакт с блоком. При достижении необходимой температуры теплоаккумулирующего блока, соответствующей заданной температуре подогреваемого газа, электрический нагреватель отключается и газ через штуцера поступает в коллектор ввода газа 14, затем через колпаки-рассекатели 9 проходит в трубопроводы, в которых за счет конвективного теплообмена с плохообтекаемой засыпкой 8 нагревается и поступает в выходной коллектор 15 и затем через штуцер подается потребителю. После этого цикл "нагрев-охлаждение" повторяется. Размер и масса теплоаккумулирующего блока зависят от требуемой массы подогреваемого газа.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 431649, 05.06.74.

2. Патент РФ N 2150054, опубл. 27.05.2000, Бюл. N 15.