ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Предложение относится к области теплотехники и может быть использовано для теплопередачи в текучей среде в различных системах теплообмена и терморегулирования, в частности, например, в тепловых трубах: в строительстве - для укрепления вечномерзлых грунтов на строительных площадках; в энергетике - для регенерации температурного потенциала грунта в теплонасосных системах с горизонтальными грунтовыми зондами, либо в составе теплообменных аппаратов; в агропромышленности - для регулирования температуры воздуха внутри тепличных комплексов, либо грунтового массива в местах посадки растений.
Известно теплопередающее устройство, содержащее герметичную трубу с зонами конденсации и испарения, заполненную текучей средой (теплоносителем), причем на внутренней стенке трубы в зоне испарения выполнены кольцевые карманы для задерживания стекающего конденсата [полезная модель, патент RU 30959, 2003].
Известны технические решения, в которых конструкции тепловых труб, являются эффективными теплопередающими устройствами, работающими при любой ориентации в гравитационном поле [изобретение, патент RU №2120593, 1998].
Недостатком таких устройств является односторонняя проводимость. Теплота, которая подводится к испарителю, передается в конденсатор, В случае, если теплота подводится к конденсатору, то она не передается испарителю.
Примером практической необходимости двухсторонней проводимости может служить использование термосвай для термической стабилизации вечномерзлых грунтов. Обычные термосваи работают только в период года, когда температура надземной конденсационной части ниже температуры грунта, прилегающего к испарителю. В остальное время установки автоматически прекращают работу, «запираются». Первый период называется активным, второй - пассивным.
Вместе с тем, в течение пассивного периода имеется необходимость поддержания верхних слоев грунта в мерзлом состоянии, что может быть обеспечено за счет отведения от них теплоты в более глубокие и термически стабильные слои грунта, и последующего переноса из нижних слоев в верхние холода для стабилизации температуры последних.
Известные конструкции реверсивных тепловых труб, обеспечивающих двухстороннюю проводимость, представляют собой конструкции, у которых расположение испарителя и конденсатора взаимно переменно и зависит от места подвода теплоты - к верхней или к нижней части реверсивной тепловой трубы. Такие конструкции совмещают в себе возможности гравитационных (прямых) и антигравитационных (обратных) термосифонов и тепловых труб, и являются их комбинациями.
Известно реверсивное теплопередающее устройство, содержащее испарители, каждый из которых снабжен размещенной внутри капиллярно-пористой насадкой с центральным каналом, систему пароотводных канавок на термоконтактных поверхностях, сообщающихся с соответствующим паровым коллектором, и конденсаторы. Испарители соединены между собой конденсатопроводом, а конденсаторы - паропроводом. Испаритель и конденсатор размещены в одном корпусе, при этом конденсатор совмещен с паровым коллектором испарителя. Расширяется область использования реверсивного теплопередающего устройства за счет повышения его компактности и теплотранспортной способности [изобретение, патент RU 2156425, 2000].
Недостатками известных технических решений являются:
- сложная конструкция, которая характеризуется конструктивными недостатками используемых в известных технических решениях принципов работы прямых и обратных тепловых труб, например содержащих «паровой подъемный насос», либо электродвигатель в нижней части;
- ограниченные тепловая мощность и длина наиболее простых конструкций обратных тепловых труб. Так, обратные фитильные тепловые трубы, основанные на капиллярном эффекте, имеют предельное расстояние передачи теплоты в пределах 1 м;
- отсутствие возможности регулирования тепловой мощности.
Кроме того, преобразование, при необходимости, находящихся в эксплуатации прямых или обратных тепловых труб в реверсивные тепловые трубы связано в большинстве случаев с необходимостью коренной реконструкции эксплуатируемой тепловой трубы или ее полной заменой на реверсивную тепловую трубу.
Задачей, решаемой предложенным устройством, является повышение энергоэффективности за счет переноса теплоты в требуемом направлении без внешних энергетических затрат.
Технический результат - упрощение конструкции, увеличение предельного расстояния передачи теплоты, повышение тепловой мощности и возможность ее регулирования.
Технический результат достигается тем, что теплопередающее устройство включает заполненный текучей средой корпус с зоной приема теплоты и зоной отвода теплоты, расположенными в верхней и нижней его частях, соответственно, и средство переноса теплоты в текучей среде из зоны приема теплоты в зону отвода теплоты.
В конкретном исполнении теплопередающего устройства в качестве текучей среды применена жидкость, а средство переноса теплоты в текучей среде обладает переменной плавучестью вследствие изменения своего объема - уменьшения при повышении температуры и увеличения - при снижении температуры.
В одном из частных случаев реализации средство переноса теплоты представляет собой, по крайней мере, одно тело, причем тело может быть выполнено в виде капсулы или таблетки, предпочтительно шарообразной формы.
Таблетка включает вещество, а капсула заполнена веществом, причем вещества таблетки и капсулы имеют отрицательный коэффициент температурного расширения.
Обычно капсула выполнена в виде эластичной емкости, а таблетка не покрыта эластичной оболочкой, однако в каком-то частном случае эластичная оболочка может присутствовать.
На графике схематически показано предлагаемое теплопередающее устройство.
Работа предложенного устройства обеспечивается за счет соответствующего подбора использующихся в нем текучей среды (первый теплоноситель) и капсул и/или таблеток (второй теплоноситель). При этом, теплофизические характеристики первого теплоносителя подбираются для обеспечения работы устройства (тепловой трубы) в первом режиме - режиме прямой тепловой трубы. Теплофизические характеристики и габаритные размеры второго теплоносителя (капсулы, таблетки) подбираются для обеспечения работы тепловой трубы во втором режиме - режиме обратной тепловой трубы. Зависимости для подбора габаритных размеров капсул (таблеток) и теплофизических характеристик текучей среды (первого теплоносителя) представлены ниже.
В устройстве используется, по крайней мере, одно тело (капсула и/или таблетка) с переменной плавучестью, способное накапливать тепловую энергию.
Тело (капсула и/или таблетка) выполнено с содержанием вещества, имеющего отрицательный коэффициент температурного расширения. Таким образом, тело меняет свой объем в зависимости от температуры, соответственно изменяется его плавучесть.
Рассмотрим условия, обеспечивающие перемещение средства переноса теплоты. Известно, что действие жидкостей и газов на погруженное в них тело описывается законом Архимеда, согласно которому для обеспечения плавучести тела должно удовлетворяться условие:
где: D - сила Архимеда (сила плавучести), Н;
Р - сила тяжести, Н.
Сила тяжести Р определяется по формуле:
где: m - масса средства переноса теплоты, кг;
2
g - ускорение свободного падения, м/с.
Сила плавучести D определяется по формуле:
D
где:  - сила плавучести, кг;
ж
m - масса текучей среды, вытесненной капсулой, кг;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
ж
3
ρ - плотность текучей среды, кг/м;
ж
3
V - объем текучей среды, вытесненной капсулой, м.
Таким образом, за счет используемого в предложении тела с переменной плавучестью меняется соотношение сил в зависимости (1). То есть при погружении тела обеспечивается условие Р≥D, а при всплытии - Р≤О.
Особенностью объемов текучих сред, имеющих различную температуру в верхней и в нижней зонах является соответствующее различие плотностей текучих сред в данных зонах - зоны с более высокой температурой имеют плотность меньше, чем зоны с меньшей температурой. В этой связи, расчет силы плавучести согласно зависимости (3) производится для обеспечения условия погружения - с использованием наибольшей плотности текучей среды, а для обеспечения всплытия - наименьшей плотности.
Перенос теплоты осуществляется за счет ее накопления средством переноса теплоты.
Ниже рассмотрим условие накопления теплоты. Способность средства переноса теплоты накапливать теплоту обеспечивается за счет теплоемкости веществ, входящих в его состав, а так же дополнительно при фазовых переходах и термохимических реакциях (при их наличии). Количество накапливаемой теплоты Q, за счет теплоемкости веществ определяется по формуле:
где: Q - количество накапливаемой теплоты, кДж
i
m - масса i-ых веществ, входящих в состав средства переноса теплоты, кг;
i
c - удельная теплоемкость i-ых веществ, входящих в состав средства переноса теплоты, кДж/(кг*с);
1
2
t, t - средние температуры средства переноса теплоты, соответственно в зоне подвода и отвода теплоты, град.
Так как теплоемкость является свойством присущим всем веществам, то с точки зрения переноса теплоты количество переносимой теплоты является второстепенным параметром, определяемым при конструировании теплопередающего устройства. Первичным является подбор веществ текучая среда/средство переноса теплоты для обеспечения перемещения последнего.
В литературе описаны разнообразные материалы, обладающие отрицательным коэффициентом температурного расширения в различных диапазонах температур.
Ниже приведен пример работы реверсивной тепловой трубы при ее использовании в качестве термосваи для термостабилизации грунта при строительстве сооружений в зоне вечной мерзлоты.
Теплопередающее устройство - термосвая (реверсивная тепловая труба) заполнена керосином, обеспечивающим требуемую температуру для поддержания грунта в твердомерзлом состоянии. Керосин является текучей средой (первым теплоносителем) реверсивной тепловой трубы. Средство переноса теплоты (второй теплоноситель) - капсула, выполненная в виде резинового мяча заполненного водой, либо водным раствором соли, например NaCl, с концентрацией, обеспечивающей температуру замерзания равную или большую температуре грунта ниже верхней границы вечной мерзлоты. Количество капсул, для рассматриваемого примера может быть в количестве двух.
Работа теплопередающего устройства - например, реверсивной тепловой трубы реализуется по двум режимам, первый режим - режим прямой тепловой трубы, наблюдаемый в такой период года (в холодный и переходные периоды), когда температура надземной конденсаторной части ниже температуры грунта, прилегающего к испарителю. Второй режим - режим антигравитационной бесфитильной тепловой трубы, наблюдаемый в такой период года (в теплый и переходные периоды года), когда температура надземной конденсаторной части выше температуры грунта, прилегающего к испарителю.
Первый режим работы является хорошо изученным и получил широкое применение на объектах строительства в районах вечной мерзлоты.
Далее приведено описание перехода с первого на второй режим и обратно, и работа во втором режиме. Второй режим заключается в переносе холода с нижерасположенного вечномерзлого слоя грунта в вышерасположенные деятельный и/или талый слои грунта и поддержании таким образом последних в твердомерзлом состоянии.
Переход между режимами и работа во втором режиме могут быть описаны следующим образом:
1. При работе в первом режиме средство переноса теплоты - например, капсулы (капсула) постоянно находятся в замерзшем состоянии, то есть для принятого случая - в твердом состоянии (лед) и имеют максимальный объем, рассчитанный из условия обеспечения плавучести. При этом имеющийся в корпусе ограничитель (например, верхняя торцевая крышка корпуса) устанавливает верхний уровень размещения капсул.
2. В период года, когда температура первого теплоносителя в верхней зоне расположения капсул повышается до уровня температуры плавления льда, труба начинает работать во втором режиме.
3. При повышении температуры, льдом (процесс плавления льда) поглощается теплота окружающего его массива текучей среды (первого теплоносителя), который в свою очередь через корпус охлаждает слой грунта на уровне размещения капсул.
4. При поглощении капсулой (капсулами) теплоты первого теплоносителя, охлажденный массив последнего опускается вниз, охлаждая таким образом и слой талого грунта, расположенный ниже уровня размещения капсулы (капсул). Таким образом, вокруг капсулы (капсул) имеет место циркуляция первого теплоносителя, повышающая эффективность теплоотведения от талого слоя грунта.
5. При плавлении, вещество капсулы - лед переходит в жидкое состояние, объем капсулы уменьшается и она, теряя плавучесть, опускается вниз в зону вечной мерзлоты, имеющую температуру ниже, чем у вышерасположенного слоя талого грунта.
6. В зоне вечной мерзлоты происходит охлаждение капсулы, кристаллизация вещества капсулы с увеличением объема и повышение степени плавучести, что обеспечивает всплытие капсулы в зону слоя талого грунта на заданный уровень.
7. Далее повторяется новый цикл по предыдущим пп. 3-6.
8. В период года, когда температура текучей среды (первого теплоносителя) в верхней зоне расположения капсул понижается до уровня температуры кристаллизации вещества капсулы устройство начинает работать в первом режиме.
При выборе текучей среды (первого теплоносителя), материала капсул, таблеток (средство перенося теплоты - второй теплоноситель) должна быть обеспечена их совместимость между собой и с материалами корпуса и иных конструктивных элементов, контактирующих с теплоносителями.
Расчет (подбор) характеристик основывается на обеспечении требуемых соотношений силы плавучести и силы тяжести, действующих на средство переноса теплоты (тело - капсула), в двух крайних расчетных точках - в верхней и нижней зонах устройства (тепловой трубы).
Пример 1
Теплопередающее устройство, в котором:
1
2
- температура в зоне приема/отвода теплоты: t=20/t=-5°С.
замерзания
- текучая среда: 40%-ый водный раствор изопропанола (плотность ρ=0,930 г/мг при 20°С, ρ=0,990 г/мг при -5°С, Т<-18°С [Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник - Мн.: Современная школа, 2005, с.386], [KVAB pharm Термофизические свойства водных растворов изопропанола (температуры замерзания растворов изопропилового спирта)]);
1
- средство переноса теплоты: тело в виде капсулы (шарообразной) массой m=74,1 г и объемом V=73,7 мл (при 20°С);
- капсула: эластичная емкость из резины;
1
2
- вещество в капсуле: вода (ρ=0,998 г/мг при 20°С; ρ=0,917 г/мг при -5°С [Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник - Мн.: Современная школа, 2005, с.417], [Паундер Э. Физика льда. Издательство «МИР». Москва, 1967, с.8, 143]).
Проверка условий работы теплопередающего устройства и количества переносимой теплоты средством переноса теплоты:
1. Сила тяжести, действующая на средство переноса теплоты составляет:
-3
2
Ρ=m*g=74,1*10 кг * 9,81 м/с=0,727 Н.
2. Объем средства переноса теплоты при температуре равной температуре в зоне отвода теплоты составляет:
2
1
1
2
V=V*ρ/ρ=75 мл * 0,999 г/мг/0,917 г/мг=80,2 мл.
3. Сила плавучести, действующая на средство переноса теплоты составляет:
1
2
1
-3
2
- при минимальном объеме в зоне с максимальной плотностью текучей среды (зоне отвода теплоты): D=ρ*g*V=0,990 г/мг*10*9,81 м/с*73,7 мг=0,716 Н.
2
1
2
-3
2
- при максимальном объеме в зоне с минимальной плотностью текучей среды (зоне подвода теплоты): D=ρ*g*V=0,930 г/мг*10*9,81 м/с*80,2 мг=0,732 Н.
1
2
Таким образом, обеспечиваются необходимые условия по соотношению сил тяжести и сил плавучести в зоне приема и отвода теплоты, соответственно D<P, D>P.
4. Количество теплоты переносимой средством переноса теплоты составляет:
1
2
-3
-3
Q=m*с*(t-t)+λ*m=74,1*10*4,18 кДж/(кг*°С)*[20-(-5)]+330 кДж/кг * 74,1*10=32,2 кДж.
Пример 2
Теплопередающее устройство, в котором:
1
2
- температура в зоне приема/отвода теплоты: t=50/t=5°С.
- текучая среда: вода (плотность: ρ=0,988 г/мг при 50°С, ρ=1,000 г/мг при 5°С [Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник - Мн.: Современная школа, 2005, с.417]);
- средство переноса теплоты: тело в виде таблетки (шарообразной) массой 10,0 г и объемом 9,8 мл (при 50°С);
-3
-1
- таблетка включает: полиакриламид с добавлением s-дибензоциклооктадиена (коэффициент расширения α=-1,2×10°С (Xingyuan Shen, Christopher Viney, Erin R. Johnson, Changchun Wang, Jennifer Q. Lu Large negative thermal expansion of a polymer driven by a submolecular conformational change. Nature Chemistry, №5, 2013, c. 1035-1041]).
Проверка условий работы теплопередающего устройства:
1. Сила тяжести, действующая на средство переноса теплоты составляет:
-3
2
Ρ=m*g=10,3*10 кг *9,81 м/с=0,100 Н.
2. Объем средства переноса теплоты при температуре равной температуре в зоне отвода теплоты составляет:
2
1
1
2
-3
V=V*[1-α*(t-t)]=9,9*[l-(-l,2×10*(50-5)]=10,43 мл.
3. Сила плавучести, действующая на средство переноса теплоты, составляет:
1
2
1
-3
2
- при минимальном объеме в зоне с максимальной плотностью текучей среды (зоне отвода теплоты): D=ρ*g*V=1,255 г/мг*10*9,81 м/с*75 мг=0,097 Н.
2
1
2
-3
2
- при максимальном объеме в зоне с минимальной плотностью текучей среды (зоне подвода теплоты): D=ρ*g*V=1,042 г/мг*10*9,81 м/с*93 мг=0,102 Н.
1
2
Таким образом, обеспечиваются необходимые условия по соотношению сил тяжести и сил плавучести в зоне приема и отвода теплоты, соответственно DP, D>P.
Пример 3
Теплопередающее устройство, в котором:
1
2
- температура в зоне приема/отвода теплоты: t=230/t=30°С.
- текучая среда: глицерин (плотность: ρ=1,042 г/мг при 230°С, ρ=1,255 г/мг при 30°С [Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М.: Атомиздат, 1968, с.324]);
- средство переноса теплоты: тело в виде таблетки (шарообразной) массой 100 г и объемом 79 мл (при 30°С);
-3
-1
- таблетка включает: вещество - оксид графена (коэффициент расширения α=-1,2×10°C [Yanjie Su, Hao Wei, Rungang Gao, Zhi Yang, Jing Zhang, Zhaohui Zhong, Yafei Zhang Exceptional negative thermal expansion and viscoelastic properties of graphene oxide paper. Carbon, №50, выпуск 8, 2012, с.2804-2809]);
- таблетка покрыта эластичной оболочкой: из резины.
Проверка условий работы теплопередающего устройства:
1. Сила тяжести, действующая на средство переноса теплоты составляет:
-3
2
Ρ=m*g=100*10 кг * 9,81 м/с=0,981 Η.
Объем средства переноса теплоты при температуре равной температуре в зоне отвода теплоты составляет:
2
1
1
2
-3
V=V*[1-α*(t-t)]=79*[l-(-l,2×10)*(230-30)]=97,89 мл.
3. Сила плавучести, действующая на средство переноса теплоты составляет:
1
2
1
-3
2
- в зоне приема теплоты: D=ρ*g*V=1,255 г/мг*10*9,81 м/с*79 мг=0,972 Н.
2
1
2
-3
2
- в зоне отвода теплоты: D=ρ*g*V=1,042 г/мг*10*9,81 м/с*97,89 мг=1,001 Н.
1
2
Таким образом, обеспечиваются необходимые условия по соотношению сил тяжести и сил плавучести в зоне приема и отвода теплоты, соответственно D<P, D>P.