СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛА В ХОЛОД (ВАРИАНТЫ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛА В ХОЛОД
HEAT-TO-COLD CONVERSION METHOD (VERSIONS), DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION (VERSIONS), AND HEAT-TO-COLD CONVERSION SYSTEM

Область техники
Группа изобретений относится к области теплообмена и может быть использована для охлаждения воздуха или оборудования, а также для утилизации сбросного тепла.
Уровень техники
Из уровня техники известна (см. RU 71501 U1, 10.03.2008) система охлаждения процессора персонального компьютера, содержащая связанные при помощи трубок испаритель, наполненный теплоносителем, и конденсатор. В известном устройстве тепло от процессора передается на испаритель, пар теплоносителя из которого поступает в конденсатор, в котором охлаждается, переходит в жидкую фазу и направляется обратно в испаритель. Недостатками известного решения являются: ограниченная область применения, низкая эффективность теплообмена, использование в качестве теплоносителя спирта или эфира.
Из уровня техники известен (см. RU 2170886 С1, 20.07.2001) бытовой автономный кондиционер, включающий испаритель, капиллярную трубку, конденсатор, заполненные хладоном, компрессор и вентиляторы. Работает известное устройство по принципу компрессионного холодильника. Недостатками известного решения являются: необходимость использования электроэнергии для работы компрессора и вентиляторов, малая эффективность теплообмена, низкая надежность и долговечность за счет износа компрессора и вентиляторов, низкая экологичность за счет использования хладона, а также ограниченная область применения.
В качестве наиболее близкого аналога, совокупность признаков которого наиболее близкая к совокупности существенных признаков заявленной группы изобретений, принято известное из уровня техники (см. SU 661877 А1, 05.05.1979) устройство для охлаждения приборов, включающее парогенератор, конденсатор, первый теплообменник, соединительные трубопроводы и теплоноситель. В известном устройстве процесс теплообмена включает этапы нагревания и испарения теплоносителя, конденсацию теплоносителя и возврат теплоносителя для нагрева и испарения. Недостатками известного решения являются: ограниченная область применения, малая эффективность теплообмена.
Раскрытие изобретения
Задачей предложенной группы изобретений является разработка принципиально новых решений для охлаждения воздуха или оборудования, лишенных недостатков известных средств и методов данного назначения.
Техническим результатом предложенной группы изобретений является расширение области применения, расширение функциональных возможностей, повышение эффективности теплообмена, экономичность за счет отсутствия электропотребления, повышение надежности и долговечности за счет минимизации количества движущихся элементов и экологичность за счет возможности использования в качестве теплоносителя воду и возможности утилизации сбросного тепла.
Технический результат достигается в способах преобразования тепла в холод.
Согласно первому варианту способ преобразования тепла в холод включает цикличное выполнение этапов нагрева, испарения теплоносителя, конденсацию, возврат теплоносителя для нагрева и испарения. При этом от известного предложенный способ по первому варианту отличается тем, что после этапа нагрева и испарения теплоносителя обеспечивают повышение давления пара теплоносителя, последующее резкое понижение давления пара и конденсацию охлажденного теплоносителя, передачу охлажденному теплоносителю тепловой энергии от охлаждаемого источника или воздуха, а возврат теплоносителя для нагрева и испарения производят в зависимости от получаемого после испарения давления пара.
Согласно второму варианту способ преобразования тепла в холод включает цикличное выполнение этапов нагрева, испарения теплоносителя, конденсацию, возврат теплоносителя для нагрева и испарения. При этом от известного предложенный способ по второму варианту отличается тем, что после этапа нагрева и испарения теплоносителя обеспечивают повышение давления пара теплоносителя, последующее резкое понижение давления пара и конденсацию охлажденного теплоносителя, передачу охлажденному теплоносителю тепловой энергии от охлаждаемого воздуха, а возврат теплоносителя для нагрева и испарения производят в зависимости от получаемого после испарения давления пара, при этом подачу охлаждаемого воздуха осуществляют при помощи давления пара.
В каждом из вариантов способа нагрев и испарение теплоносителя может осуществляться посредством солнечной энергии.
Технический результат достигается в устройствах преобразования тепла в холод.
Согласно первому варианту устройство преобразования тепла в холод включает парогенератор, конденсатор, первый теплообменник, соединительные трубопроводы и теплоноситель. При этом предложенное устройство от известного отличается тем, что дополнительно содержит второй теплообменник, являющийся охлаждающим, причем первый теплообменник является нагреваемым и конструктивно связан с парогенератором, выход парогенератора последовательно соединен с расположенными выше через элемент резкого понижения давления конденсатором, вторым охлаждающим теплообменником для поглощения тепла от охлаждаемого источника тепловой энергии или воздуха клапаном перелива и расположенными ниже клапаном противодавления, дозатором и входом парогенератора, при этом управляющие входы клапана противодавления и дозатора соединены с выходом парогенератора, а все соединения выполняются теплоизолированными.
Согласно второму варианту устройство преобразования тепла в холод включает парогенератор, конденсатор, первый теплообменник, соединительные трубопроводы и теплоноситель. При этом предложенное устройство от известного отличается тем, что дополнительно содержит второй теплообменник, являющийся охлаждающим, причем первый теплообменник является нагреваемым и конструктивно связан с парогенератором, выход парогенератора последовательно соединен с расположенными выше через элемент резкого понижения давления конденсатором, вторым охлаждающим теплообменником для поглощения тепла от охлаждаемого воздуха, клапаном перелива и расположенными ниже клапаном противодавления, дозатором и входом парогенератора, при этом управляющие входы клапана противодавления и дозатора соединены с выходом парогенератора, дополнительно парогенератор соединен с турбиной, выполненной с возможностью вращения от давления пара и передачи вращающего момента на вентилятор посредством магнитной муфты, вентилятор выполнен с возможностью подачи воздуха на второй теплообменник, выход турбины соединен через второй элемент резкого понижения давления с конденсатором, а все соединения выполняются теплоизолированными.
В каждом из вариантов устройства в качестве элемента резкого понижения давления можно использовать тонкую пластину с отверстием или канал с переменным поперечным сечением. Канал с переменным поперечным сечением может являться соплом или соплом Лаваля.
В каждом из вариантов в качестве нагревателя первого теплообменника может использоваться солнечный коллектор.
Технический результат достигается в системе преобразования тепла в холод, включающей одно или более устройств преобразования по первому варианту и одно или более устройств преобразования по второму варианту.
В качестве варианта в системе одно или более устройств преобразования обладает общим нагреваемым первым теплообменником и/или общим конденсатором.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематичный вид устройства преобразования тепла в холод по первому варианту.
Фиг.2 - схематичный вид устройства преобразования тепла в холод с узлом для подачи охлаждаемого воздуха по второму варианту.
Фиг.3 - схематичный вид устройства преобразования тепла в холод по второму варианту с использованием солнечного коллектора для подачи тепловой энергии.
Осуществление изобретения
Предложенная группа изобретений предназначена для преобразования тепла в холод и может быть использована для охлаждения (кондиционирования) воздуха или охлаждения промышленного/бытового оборудования, используя для этого тепло от различных источников. В качестве источников тепла можно использовать топливные источники, радиоизотопные, атомные (тепло атомного реактора), солнечные, утилизационные, а также тепло из любых источников, выделяющих сбросное тепло (выхлопные, печные газы и др.). В отличие от обычных решений преобразования тепла в холод, работающих по принципу перекачки и рассеивания тепловой энергии в окружающую среду, в основе предложенных решений лежит принцип преобразования внутренней энергии газа за счет совершения им работы.
Сущность предложенных решений поясняется чертежами, на которых схематично обозначены следующие конструктивные элементы:
1 - источник тепловой энергии;
2 - первый теплообменник;
3 - парогенератор;
4 - жидкий теплоноситель (хладагент);
5 - тонкая пластина с отверстием;
6 - конденсатор;
7 - сетка;
8 - второй теплообменник;
9 - клапан перелива;
10 - вертикальный трубопровод;
11 - клапан противодавления;
12 - дозатор;
13 - турбина с магнитной муфтой;
14 - вентилятор;
15 - вторая тонкая пластина с отверстием;
16 - солнечный коллектор.
На Фиг.1 схематично показан пример реализации охладительной установки согласно первому варианту способа и устройства для его осуществления. Принцип действия согласно первому варианту способа и устройства является общим для всех вариантов предложенных решений. Конструкции отдельных элементов устройства являются широко известными из уровня техники и конкретные их параметры рассчитываются в соответствии необходимыми требованиями к эксплуатационным характеристикам устройства.
Устройство преобразования тепла от источника тепловой энергии 1 в холод по первому варианту включает нагреваемый теплообменник 2 (далее - первый теплообменник), который конструктивно связан с парогенератором 3. В парогенераторе 3 находится жидкий теплоноситель (хладагент) 4. Выход парогенератора 3 соединен с расположенной выше него тонкой пластиной с отверстием 5, конструктивно связанной с конденсатором 6. Внутри конденсатора 6 расположены слои сетки 7. Конденсатор 6 соединен с охлаждающим теплообменником 8 (далее - второй теплообменник), который соединен с клапаном перелива 9. Через вертикальный трубопровод 10 клапан перелива 9 последовательно соединен с, расположенными ниже клапана перелива 9 клапаном противодавления 11, дозатором 12 и входом парогенератора 3. Управляющие входы клапана противодавления 11 и дозатора 12 соединены с выходом парогенератора 3.
В первом теплообменнике 2 за счет вышеупомянутой конструктивной связи происходит передача тепловой энергии к парогенератору 3. Указанная конструктивная связь может осуществляться, например, установкой парогенератора 3 в первый теплообменник 2 или выполнением их в виде единого конструктивного узла. В качестве теплоносителя (хладагента) 4 может быть использована дистиллированная вода. Вместо тонкой пластины с отверстием 5 может использоваться любой элемент, обеспечивающий резкий перепад давления, а именно повышенное давление на входе и резкое понижение его на выходе. Например, элементом для обеспечения резкого перепада (резкого понижения) давления может быть канал с переменным поперечным сечением, в частности сопло или сопло Лаваля. Конденсатор 6 может быть выполнен в виде емкости и содержать слои сетки 7, которые увеличивают площадь его внутренней поверхности и способствуют повышению эффективности процесса конденсации. Вместо слоев сетки 7 могут быть использованы пучки медной проволоки или любые другие конструктивные элементы, увеличивающие площадь внутренней поверхности конденсатора. Тонкая пластина с отверстием 5 может находиться в верхней части конденсатора 6, а отвод охлажденного теплоносителя во второй теплообменник осуществляется из нижней части. Второй теплообменник 8 может быть установлен, например, в вентиляционную систему, в случае, когда необходимо охладить воздух или может быть выполнен с возможностью теплообмена с оборудованием или любым другим источником тепла, который требует охлаждения (на Фиг.1 приведен вариант для охлаждения воздуха). Клапан перелива 9 служит для поддержания постоянного количества теплоносителя во втором теплообменнике 8, а именно пропускает теплоноситель только в случае переполнения теплообменника 8. Вертикальный трубопровод 10 приведен в качестве примера, на практике же нет необходимости соблюдать строгую вертикальность трубопровода, поскольку условием работы устройства является расположение клапана противодавления 11 ниже клапана перелива 9 с обеспечением между ними перепада высот h. Клапан противодавления 11 позволяет пропускать теплоноситель через дозатор 12 во вход парогенератора 3, когда давление пара на выходе парогенератора будет ниже давления, создаваемого за счет силы тяжести теплоносителя в вертикальном трубопроводе 10. Упомянутое понижение давления пара может происходить, когда в парогенераторе 3 заканчивается жидкий теплоноситель 4. Дозатор 12 позволяет подавать теплоноситель во вход парогенератора определенными порциями и может быть выполнен с возможностью управления давлением пара из выхода парогенератора 3, для чего на управляющий вход дозатора 12 подается пар из выхода парогенератора 3. Совместно клапан противодавления 11 и дозатор 12 образуют систему дозированной подачи теплоносителя в парогенератор 3 в случае, когда теплоноситель в нем заканчивается.
Все связи между элементами устройства обеспечиваются с помощью теплоизолированного трубопровода. Перед наполнением устройства теплоносителем в нем производят откачку воздуха (создают разряженную атмосферу) для уменьшения температуры кипения теплоносителя и образования пара в парогенераторе. Дополнительно в устройстве могут быть предусмотрены вентили для принудительной остановки работы.
Предложенное устройство обеспечивает цикличный режим работы. Цикл в устройстве, когда в качестве теплоносителя (хладагента) используется вода, реализуется следующим образом.
1
2
2
2
3
3
Тепловая энергия из источника 1 передается на первый теплообменник 2, который нагревает парогенератор 3. Внутри парогенератора 3 находится вода при начальной температуре Т≈20°С. При нагреве воды до температуры Т≈70°С происходит непрерывная генерация пара. Под действием внутреннего давления пар из выхода парогенератора 3 при помощи трубопровода направляется на находящуюся выше парогенератора 3 тонкую пластину с отверстием 5 и на управляющий вход клапана противодавления 11, закрывая его. Тонкая пластина с отверстием 5 не позволяет пару беспрепятственно перейти в конденсатор 6, и обеспечивает повышение давления пара до равновесного (при T≈70°С, давление P≈30·10÷50·10 Па). Данное давление держится до тех пор, пока в парогенераторе не иссякнет (выкипит) вода.
2
3
3
3
3
3
В процессе кипения воды пар при давлении Р≅30·10÷50·10 Па, проходя через отверстие в пластине 5, резко расширяется в объеме и стремительно теряет давление до Р≅110÷700 Па, при этом его температура и давление падают до температуры и давления тройной точки воды или ниже (T≈0°С или T≤0°С).
В конденсаторе 6 на развитой внутренней поверхности происходит конденсация с получением небольшого количества тепла от окружающей среды, для смещения равновесия из тройной точки в сторону жидкости, которая стекает во второй теплообменник 8.
4
Нагретый воздух, охлаждение которого необходимо произвести, подается на второй теплообменник 8, в котором происходит передача тепла от более теплого воздуха к охлажденной воде Т≈4°С. В результате прохода теплого воздуха через второй теплообменник 8 его температура понижается, и он вновь может использоваться для кондиционирования помещений или охлаждения оборудования. После второго теплообменника 8, вода направляется в клапан перелива 9.
Далее вода направляется через вертикальный трубопровод 10в, находящийся ниже клапана перелива 9, клапан противодавления 11. В вертикальном трубопроводе 10 за счет перепада высот h под действием силы тяжести создается давление, способствующее дальнейшему продвижению воды до входа в клапан противодавления 11.
Когда вода в парогенераторе 3 иссякает (выкипает), на выходе парогенератора 3 происходит снижение давления, которое открывает клапан противодавления 11. Вода под давлением, образованным за счет перепада высот h в вертикальном трубопроводе 10, через открытый клапан противодавления 11 поступает в дозатор 12. Часть воды из дозатора попадает в парогенератор 3, в котором за счет нагревания вновь поступившей воды происходит повышение давления пара. Далее под действием внутреннего давления пар поступает на управляющий вход клапана противодавления 11, запирая его, и на управляющий вход дозатора 12. Под действием давления пара вода, оставшаяся в дозаторе 12, поступает в парогенератор 3, и цикл начинается заново.
На Фиг.2 показан второй вариант устройства преобразования тепла в холод в соответствии со вторым вариантом реализации способа. В отличие от первого варианта в устройство добавлены турбина с магнитной муфтой 13 и вентилятор 14, позволяющие подавать необходимый к охлаждению теплый воздух на второй теплообменник 8 без затрат внешней энергии, а только за счет энергии процессов, проходящих в самом устройстве. Для этого пар из парогенератора 3 направляется в турбину с магнитной муфтой 13. С упомянутой турбины 13 пар поступает в конденсатор 6 через вторую тонкую пластину с отверстием 15. Под действием давления пара турбина 13 раскручивается и через магнитную муфту передает вращающий момент на вентилятор 14, который подает необходимый к охлаждению теплый воздух на второй теплообменник 8.
На Фиг.3 показан второй вариант устройства, где в качестве источника подачи тепловой энергии на первый теплоноситель используется солнечный коллектор 15, который может располагаться снаружи помещения. Данный вариант устройства может быть использован в системах кондиционирования воздуха в жилых или промышленных помещениях за счет солнечной энергии. Приведенный вариант устройства не требует подачи тепла от дополнительных внешних источников и обеспечивает полностью автономный режим работы.
Система преобразования тепла в холод предложенная в рамках настоящей группы изобретений содержит одно или более устройств преобразования тепла в холод по первому варианту (Фиг.1) и одно или более устройств преобразования тепла в холод по второму варианту (Фиг.2). При этом устройства в системе могут обладать общим для всех первым теплообменником и/или общим конденсатором. Количество устройств в системе зависит от объема воздуха, охлаждение которого необходимо произвести. Кроме того, для подачи тепла на первый или множество первых теплообменников, в зависимости от конструкции, может использоваться один или более солнечных коллекторов.
Таким образом, предложенная группа изобретений позволяет получить указанный ранее технический результат, заключающийся в расширении области применения, расширении функциональных возможностей, повышении эффективности теплообмена, экологичности, экономичности, а также повышении надежности и долговечности.
Следует отметить, что описание группы изобретений и чертежи приведены только в качестве примера и не ограничивают возможные модификации группы изобретений в рамках предложенной формулы.