PL224979B1

PL224979B1 - Heat accumulator heated by electrical energy

Info

Publication number: PL224979B1
Application number: PL409085A
Authority: PL
Inventors: Dawid Taler; Jarosław Tokarczyk
Original assignee: Politechnika Krakowska Im Tadeusza Kościuszki
Priority date: 2014-08-04
Filing date: 2014-08-04
Publication date: 2017-02-28
Also published as: PL409085A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest akumulator energii cieplnej zawierający wewnętrzny układ nagrzewania elektrycznego, w którym energia cieplna akumulowana jest w elementach rdzenia, stanowiących konstrukcyjne części akumulatora.The subject of the invention is a thermal energy accumulator comprising an internal electric heating system, in which thermal energy is accumulated in the core elements constituting structural parts of the accumulator.

Z opisu patentowego PL 174166 znany jest akumulacyjny grzejnik elektryczny, mający rurkowe elementy grzejne przeprowadzone poziomo i równolegle względem siebie przez rdzeń akumulacyjny i przylegającą izolację cieplną.From the patent description PL 174166, an electric storage heater is known, which has tubular heating elements guided horizontally and parallel to each other through the storage core and adjacent thermal insulation.

Urządzenie do akumulacji ciepła znane z opisu patentowego GB 1034929 zawiera akumulujące ciepło wypełnienie z żelazofosforu lub materiału bazującego na żelazofosforze, które może mieć postać bloków lub kawałków lub złoża granulowanego materiału. Urządzenie ma stalową obudowę zawierającą wspomniany żelazofosfor, do którego ciepło jest dostarczane przez środki w postaci elektrycznych elementów grzewczych oraz ma wentylatory, które są przewidziane do cyrkulacji powietrza przez urządzenie. W innej odmianie konstrukcyjnej, znane urządzenie może być przystosowane do cyrkulacji wody.The heat storing device known from GB 1034929 comprises a heat-storing filling of ferrophosphorus or ferrophosphorus-based material, which may be in the form of blocks or pieces or a bed of granular material. The device has a steel casing containing said ferrophosphorus, to which heat is supplied by means of electric heating elements, and has fans that are provided to circulate air through the device. In another design variation, the known device may be adapted to circulate water.

Zgodnie z wynalazkiem, akumulator ciepła nagrzewany energią elektryczną mający obudowę, w której umieszczony jest rdzeń akumulacyjny zawierający wypełnienie akumulujące ciepło oraz rurkowe elektryczne elementy grzejne przechodzące przez rdzeń i usytuowane równolegle względem siebie, charakteryzuje się tym, że ma walcową obudowę w postaci rury, zamkniętej z obu stron sitowymi dnami, wewnątrz której usytuowany jest rdzeń akumulacyjny, uformowany z rur osadzonych w sitowych dnach i przechodzących równolegle przez całą długość obudowy, przy czym każda z rur rdzenia zawiera wypełnienie akumulujące ciepło oraz rurkowe elektryczne elementy grzejne przeprowadzone równolegle kanałami wypełnienia przez całą długość rur.According to the invention, a heat accumulator heated by electricity having a casing in which a storage core is placed, including a heat-accumulating filling and tubular electric heating elements extending through the core and positioned parallel to each other, is characterized in that it has a cylindrical casing in the form of a tube closed with on both sides with tube sheets, inside which the accumulation core is located, formed of tubes embedded in tube tubes and running parallel through the entire length of the casing, each of the core tubes containing a heat-accumulating filling and tubular electric heating elements carried in parallel through the filling channels along the entire length of the tubes .

Wypełnienie akumulujące ciepło składa się z członów w postaci walcowych bloczków, korzystnie z ceramiki na bazie betonu korundowego, które to bloczki są umieszczone w rurach rdzenia w sposób uporządkowany jeden za drugim na całej długości rur i tworzą wewnątrz każdej z rur siedem walcowych szeregów, z których sześć jest rozmieszczonych po obwodzie wewnętrznym rur a siódmy w osi rur, zaś rurkowe elektryczne elementy grzejne umieszczone są w kanałach utworzonych między pobocznicami walcowych szeregów bloczków wypełnienia.The heat-accumulating packing consists of cylindrical block members, preferably ceramics based on alumina concrete, which are arranged in an orderly sequence in the core tubes along the entire length of the tubes and form seven cylindrical rows inside each tube, of which six are arranged on the inner circumference of the tubes and the seventh in the axis of the tubes, and tubular electric heating elements are placed in the channels formed between the sides of the cylindrical row of filler blocks.

Ponadto, oba sitowe dna obudowy mają pomiędzy rurami rdzenia otwory, prowadzące do międzyrurowej przestrzeni wewnątrz obudowy.Moreover, both tube sheet bottoms of the housing have openings between the core tubes leading to the inter tube space inside the housing.

W celu wykorzystania akumulatora według wynalazku, łączy się otwarte końce jego obudowy z kanałem powietrznym instalacji grzewczej, tak aby powietrze płynące kanałem mogło przepływać zarówno przez rury rdzenia jak i przez przestrzeń między rurową.In order to use the accumulator according to the invention, the open ends of its housing are connected to the air duct of the heating installation, so that the air flowing through the duct can flow both through the core pipes and through the space between the pipes.

Stanowiące wypełnienie akumulatora walcowe elementy ceramiczne, są w okresie nocy nagrzewane tanią energią elektryczną. Jest to faza ładowania akumulatora. Natomiast w ciągu dnia przez akumulator przepuszcza się powietrze, które nagrzewa się i może być wykorzystywane bezpośrednio do ogrzewania pomieszczeń lub poprzez wymiennik powietrze-woda, do nagrzewania wody w instalacji centralnego ogrzewania. Jest to faza rozładowania akumulatora.The cylindrical ceramic elements filling the battery are heated with cheap electricity during the night. This is the battery charging phase. On the other hand, during the day, air is passed through the accumulator, which heats up and can be used directly for heating rooms or, through the air-water exchanger, to heat water in the central heating system. This is the battery discharge phase.

W odróżnieniu od znanych, tradycyjnych akumulatorów ciepła, w których elementami akumulującymi ciepło są duże bloki szamotowe, narażone na duże naprężenia cieplne i ulegające szybkim uszkodzeniom, tworzące wypełnienie rdzenia walcowe bloczki ceramiczne, o długości znacznie mniejszej od długości rur rdzenia i średnicy znacznie mniejszej od średnicy rur rdzenia, mogą swobodnie się przesuwać wewnątrz rur. Dzięki niewielkim wymiarom gabarytowym rozkład temperatury wewnątrz tych bloczków jest wyrównany. Ponadto poprzeczne wymiary dużej liczby kanałów pomiędzy bloczkami, którymi przez rury rdzenia równolegle przepływa powietrze są niewielkie, co zapewnia równomierne i powolne chłodzenie wypełnienia, gdyż przepływ powietrza przez szczeliny między walcowymi bloczki jest laminarny.Contrary to the known, traditional heat accumulators, in which the heat accumulating elements are large chamotte blocks, exposed to high thermal stresses and subject to rapid damage, cylindrical ceramic blocks forming the core filling, with a length much shorter than the length of the core pipes and a diameter much smaller than the diameter core pipes, are free to slide inside the pipes. Due to the small overall dimensions, the temperature distribution inside these blocks is even. Moreover, the transverse dimensions of the large number of channels between the blocks, through which the air flows in parallel through the core pipes, are small, which ensures uniform and slow cooling of the filling, as the air flow through the gaps between the cylindrical blocks is laminar.

Dodatkowo, zaletą rozwiązania jest niski spadek ciśnienia przy przepływie powietrza przez akumulator, wynikający z uporządkowanej struktury wypełnienia, co z kolei przyczynia się do znacznego zmniejszenia mocy silnika napędzającego wentylator powietrza. Z uwagi na niewielką prędkość przepływu powietrza praca instalacji jest bardzo cicha.In addition, the advantage of the solution is the low pressure drop when air flows through the accumulator, resulting from the ordered structure of the filling, which in turn contributes to a significant reduction in the power of the motor driving the air fan. Due to the low air flow velocity, the operation of the installation is very quiet.

Gęstość i ciepło właściwe betonu korundowego, z którego wykonane są walcowe bloczki są wysokie. Dzięki temu pojemność cieplna akumulatora jest również wysoka i ciepło zgromadzone w akumulatorze jest relatywnie duże, co z kolei umożliwia ogrzewanie domu o znacznej kubaturze.The density and specific heat of the corundum concrete from which the cylindrical blocks are made are high. As a result, the heat capacity of the accumulator is also high and the heat stored in the accumulator is relatively large, which in turn enables heating a house with a large cubature.

PL 224 979 B1PL 224 979 B1

Współczynnik przewodzenia ciepła betonu korundowego jest wysoki, co w połączeniu z niewielkimi wymiarami walcowych bloczków zapewnia niskie różnice temperatury między ich powierzchnią a wnętrzem, zarówno w fazie nagrzewania jak i ochładzania. Dlatego naprężenia cieplne w walcowych bloczki ceramicznych są małe, co pozwala uniknąć ich zarysowań i pęknięć typowych dla powszechnie stosowanych bloków szamotowych.The thermal conductivity coefficient of corundum concrete is high, which, combined with the small dimensions of the cylindrical blocks, ensures low temperature differences between their surface and the inside, both in the heating and cooling phase. Therefore, the thermal stresses in cylindrical ceramic blocks are low, which avoids their scratches and cracks typical of commonly used fireclay blocks.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1, przedstawia walcowy akumulator ciepła w izometrycznym widoku ogólnym, a fig. 2 - szczegół „A” z fig. 1.The subject matter of the invention is shown in the embodiment in which Fig. 1 shows a cylindrical heat accumulator in an isometric general view, and Fig. 2 shows a detail "A" in Fig. 1.

Przykładowy akumulator ciepła według wynalazku, ma walcową obudowę 1 z rury ze szwem ze stali żaroodpornej. W obudowie 1 jest umieszczony rdzeń akumulacyjny złożony z ośmiu rur 2, przyspawanych do dwóch sitowych den 3 usytuowanych na końcach obudowy 1, na umownym wlocie i wylocie z akumulatora.An exemplary heat accumulator according to the invention has a cylindrical housing 1 made of a welded heat-resistant steel tube. In the housing 1 there is a storage core composed of eight pipes 2, welded to two tube sheets 3 located at the ends of the housing 1, at the contractual inlet and outlet of the accumulator.

Rury 2 tworzące rdzeń akumulacyjny rozmieszczone są równomiernie po obwodzie oraz na środku sitowych den 3.The tubes 2 forming the storage core are evenly distributed around the circumference and in the center of the tube sheets 3.

W rurach 2 rdzenia są umieszczone w sposób uporządkowany ceramiczne elementy wypełnienia akumulującego ciepło, mające postać walcowych bloczków 4 z ceramiki na bazie betonu korundowego, o średnicy równej wysokości i wynoszącej 30 mm. Bloczki 4 są rozmieszczone na całej długości rur 2 po obwodzie i wzdłuż osi rur 4, tworząc wewnątrz każdej z rur 2 siedem walcowych szeregów. Sześć tych walcowych szeregów jest rozmieszczonych po obwodzie wewnętrznym rur 2, a siódmy w osi rur 2.In the core pipes 2, ceramic elements of the heat-accumulating filling are arranged in an orderly manner, in the form of cylindrical ceramic blocks 4 based on corundum concrete, with a diameter equal to the height and equal to 30 mm. The blocks 4 are distributed over the entire length of the tubes 2 around the circumference and along the axis of the tubes 4, forming seven cylindrical rows inside each tube 2. Six of these cylindrical rows are arranged on the inner circumference of the pipes 2, and the seventh one along the axis of the pipes 2.

Pomiędzy walcowymi bloczkami 4 akumulującymi ciepło umieszczone są w każdej z rur po trzy rurkowe elektryczne elementy grzejne 5, biegnące przez całą długość rur 2.Between the cylindrical heat-accumulating blocks 4, three tubular electric heating elements 5 are placed in each of the tubes, extending along the entire length of the tubes 2.

W sitowych dnach 3 obudowy 1 wykonanych jest ponadto czternaście otworów 6 dla przepływu powietrza przez przestrzeń międzyrurową wewnątrz obudowy 1, co umożliwia oddawanie ciepła do otoczenia również przez zewnętrzne powierzchnie rur 2 rdzenia.Moreover, fourteen openings 6 are provided in the tube sheets 3 of the casing 1 for the flow of air through the inter-pipe space inside the casing 1, which allows heat to be dissipated to the environment also through the outer surfaces of the core pipes 2.

Akumulator w celu jego praktycznego wykorzystania łączy się otwartymi końcami obudowy 1 z kanałem powietrznym instalacji grzewczej, tak aby powietrze płynące kanałem mogło przepływać przez akumulator, od umownego wlotu do wylotu obudowy, zarówno przez przestrzeń międzyrurową, jak i przez kanały, znajdujące się pomiędzy walcowymi bloczkami 4 wypełnienia.For its practical use, the battery is connected with the open ends of the casing 1 to the air duct of the heating system, so that the air flowing through the duct can flow through the accumulator, from the conventional inlet to the casing outlet, both through the inter-tube space and through the ducts between the cylindrical blocks. 4 fillings.

W przedstawionym powyżej przykładzie nie przewidziano specjalnych dodatkowych środków do łączenia obudowy 1 akumulatora z kanałem instalacji, niemniej jednak w innych przykładach jest możliwe wyposażenie końców obudowy 1 akumulatora w kołnierze do łączenia z kołnierzami kanałów powietrznych instalacji.In the example shown above, no special additional means are provided for connecting the battery casing 1 to the installation duct, however, in other examples it is possible to provide the ends of the accumulator casing 1 with flanges for connecting to the flanges of the air ducts of the installation.

Ponieważ walcowe bloczki 4 ułożone są w sposób regularny, szeregowo na długości rur 2 rdzenia, to przekrój poprzeczny kanałów, przez które przepływa powietrze, jest stały na całej długości akumulatora.Since the cylindrical blocks 4 are arranged in a regular manner, in series along the length of the core tubes 2, the cross-section of the channels through which the air flows is constant over the entire length of the accumulator.

W odróżnieniu od tradycyjnych akumulatorów ciepła, w których elementami akumulującymi ciepło są duże bloki szamotowe, narażone na duże naprężenia cieplne i ulegające szybkim uszkodzeniom, ceramiczne walcowe bloczki 4, o średnicy równej wysokości, mogą swobodnie się przesuwać. Dzięki niewielkim wymiarom gabarytowym rozkład temperatury wewnątrz tych bloczków 4 jest wyrównany. Ponadto poprzeczne wymiary dużej liczby kanałów, przez które między pobocznicami bloczków 4 równolegle przepływa powietrze są niewielkie, a to zapewnia równomierne i powolne chłodzenie wypełnienia akumulatora, gdyż przepływ powietrza między walcowymi bloczkami 4 jest laminarny.Contrary to traditional heat accumulators, in which the heat accumulating elements are large fireclay blocks, exposed to high thermal stresses and subject to quick damage, the ceramic cylindrical blocks 4, with a diameter equal to their height, are free to slide. Due to the small overall dimensions, the temperature distribution inside these blocks 4 is even. Moreover, the transverse dimensions of the large number of channels through which air flows in parallel between the sides of the blocks 4 are small, and this ensures a uniform and slow cooling of the accumulator filling, since the air flow between the cylindrical blocks 4 is laminar.

Gęstość i ciepło właściwe betonu korundowego, z którego wykonane są walcowe bloczki 4, są wysokie. Dzięki temu pojemność cieplna akumulatora jest również wysoka. Poza tym, współczynnik przewodzenia ciepła betonu korundowego jest również wysoki, co w połączeniu z niewielkimi wymiarami walcowych bloczków 4 zapewnia niskie różnice temperatury między ich powierzchnią, a wnętrzem, zarówno w fazie nagrzewania jak i ochładzania. Dlatego też naprężenia cieplne w walcowych bloczkach 4 są niewielkie, co pozwala uniknąć ich zarysować i pęknięć typowych dla bloków szamotowych.The density and specific heat of the alumina concrete from which the cylindrical blocks 4 are made are high. As a result, the heat capacity of the battery is also high. In addition, the thermal conductivity of the corundum concrete is also high, which, combined with the small dimensions of the cylindrical blocks 4, ensures low temperature differences between their surface and the interior, both in the heating and cooling phases. Therefore, the thermal stresses in the cylindrical blocks 4 are low, which avoids their scratches and cracks typical of fireclay blocks.

Akumulator ciepła może być stosowany bezpośrednio do ogrzewania pomieszczeń, w tym dużych hal, jak również może stanowić źródło ciepła w hybrydowym, powietrzno-wodnym układzie ogrzewania budynku.The heat accumulator can be used directly to heat rooms, including large halls, and can also be a heat source in a hybrid air-water heating system of a building.

W tym drugim zastosowaniu, akumulator znajduje się korzystnie w oddzielnym pomieszczeniu, w którym ludzie nie przebywają w sposób ciągły. Podgrzane w akumulatorze powietrze jest schładzane w wymienniku ciepła typu powietrze-woda, który jest źródłem ciepła w instalacji centralnego ogrzewania. Akumulator ładowany jest nocą, a w ciągu dnia służy do nagrzewania powietrza, schładzanegoIn the latter application, the battery is preferably located in a separate room where people are not continuously present. The air heated in the accumulator is cooled in the air-water heat exchanger, which is the heat source in the central heating system. The battery is charged at night and during the day it is used to heat the cooled air

PL 224 979 B1 następnie w wymienniku ciepła. Taki hybrydowy układ ogrzewania zachowuje wszystkie zalety niskotemperaturowego ogrzewania wodnego.Then in a heat exchanger. This hybrid heating system retains all the advantages of low-temperature water heating.

Prezentowane rozwiązanie wychodzi naprzeciw założeniom polityki energetycznej Unii Europejskiej, która przewiduje wycofanie kotłów gazowych, olejowych i węglowych z budynków mieszkalnych. Zgodnie z tymi założeniami, do ogrzewania budynków ma być stosowana energia elektryczna.The presented solution meets the assumptions of the European Union energy policy, which provides for the withdrawal of gas, oil and coal boilers from residential buildings. According to these assumptions, electricity is to be used to heat buildings.

Stosowanie na szerszą skalę walcowych akumulatorów ciepła według wynalazku, przyczyni się do wyrównania obciążenia sieci elektrycznej w ciągu całej doby, gdyż mogą one przejmować nadmiar energii elektrycznej w okresie nocnym.The use of the cylindrical heat accumulators according to the invention on a larger scale will contribute to the equalization of the load on the electricity network throughout the day, as they can absorb excess electricity during the night.

Do nagrzewania akumulatora może służyć nie tylko nadmiarowa energia z sieci elektrycznej wytwarzanej zarówno w elektrowniach cieplnych jak i wiatrowych, ale również energia z rozproszonych odnawialnych źródeł energii, takich jak wiatraki lub ogniwa fotowoltaiczne zainstalowane na dachu budynku.The battery can be heated not only by redundant energy from the electricity grid generated in both thermal and wind power plants, but also by energy from dispersed renewable energy sources, such as windmills or photovoltaic cells installed on the roof of the building.

Claims

A heat accumulator, heated by electricity, having a casing in which an accumulation core is placed, including a heat-storing filling and tubular electric heating elements passing through the core and positioned parallel to each other, characterized in that it has a cylindrical casing (1) in the form of a tube, closed on both sides with tube sheets (3), inside which the accumulation core is located, formed of pipes (2), embedded in tube sheets (3) and running parallel through the entire length of the housing (1), each of the core tubes (2) containing heat-accumulating filling, composed of cylindrical blocks (4) arranged in an orderly one behind the other along the entire length of the core tubes (2) and forming inside each tube (2) seven cylindrical rows, six of which are arranged around the circumference in the inner tube (2) and the seventh in the axis of the tubes, and it also contains tubular electric heating elements (5), led through the entire length of the tubes (2 ) in the channels formed between the sides of the cylindrical series of blocks (4) of filling, and that both tube sheets (3) have openings between the tubes (2) leading to the inter-tube space inside the casing (1).

2. The heat accumulator according to claim 1 A method according to claim 1, characterized in that the cylindrical filling blocks (4) are formed of ceramics based on corundum concrete.