УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ТЕПЛОТЫ ОТ ПОВЕРХНОСТНОГО ВОДОТОКА
DEVICE FOR HEAT BLEED FROM SURFACE WATERWAY

Изобретение относится к области теплоэнергетики, предназначено для отбора теплоты от поверхностного водотока и может применяться в составе теплонасосных установок для обеспечения их низкопотенциальной теплотой.
Известно устройство для отбора теплоты от водоема или водотока, содержащее плоское квадратное основание, снабженное четырьмя ножками, к которому сверху прикреплена уложенная кольцами труба, образуя вертикальный цилиндр (патент CN 102368026 A, 2012 г.). Устройство устанавливается в водоеме или водотоке и через трубу посредством циркуляционного насоса прокачивается нагреваемый теплоноситель.
Основным недостатком известного устройства является недостаточная интенсивность теплообмена между водной средой и трубой в условиях водотока, так как образуемый трубой цилиндр омывается потоком воды только снаружи и, таким образом, не обеспечивается всестороннее обтекание труб. К недостаточной интенсивности теплообмена ведет также невозможность постоянного нахождения устройства в области наибольшей скорости течения, так как в случае открытого водотока эта область находится вблизи поверхности, а устройство должно располагаться на достаточном расстоянии от поверхности, чтобы избежать возможного оголения труб при падении уровня воды (Г.В. Железняков. Теория гидрометрии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является устройство для отбора теплоты от водоема или водотока, содержащее прямоугольную раму, к которой прикреплены уложенная витками полиэтиленовая труба и грузы (Technical Information Sheet - Pond Mats [Электронный ресурс], URL: http://www.kensaengineering.com/Library/Technical%20Data/TIS_Pond_Mats-v2.pdf). Устройство погружается на дно водоема или водотока и через трубу посредством циркуляционного насоса прокачивается нагреваемый теплоноситель.
Основным недостатком прототипа является низкая интенсивность теплообмена между водной средой и трубой, что влечет за собой повышенную материалоемкость из-за необходимости использования трубы большой длины и изготовления для нее рамы большого размера или использования нескольких устройств, а также значительный объем теплоносителя, необходимого для заполнения трубы, необходимость наличия достаточного по размеру, доступного для размещения конструкции участка водоема или водотока, повышенные затраты энергии на прокачку теплоносителя вследствие значительной длины трубы, увеличенное расхождение между температурой теплоносителя на выходе из трубы и средней температурой водоема или водотока, что особенно проявляется при наличии на дне слоя илистых отложений, ограничивающих конвективный теплообмен и увеличивающих градиент температуры между трубой, погруженной в эти отложения, и основной массой воды в верхней части водоема. Последний показатель имеет большое значение в случае использования данной схемы для снабжения теплонасосной установки низкопотенциальной теплотой. Максимальное приближение температуры теплоносителя к температуре источника низкопотенциальной теплоты позволяет добиться наивысших показателей производительности и эффективности теплового насоса.
Задачей предлагаемого изобретения является улучшение теплообменных и массогабаритных параметров устройства для отбора теплоты от водотока, увеличение общей эффективности отбора теплоты.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение температурных потерь в процессе передачи теплоты от водотока к теплоносителю, улучшение массогабаритных характеристик устройства, сокращение занимаемой устройством площади, уменьшение объема теплоносителя в контуре.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для отбора теплоты от поверхностного водотока, содержащем раму и присоединенные к ней изогнутую трубу с каналом для теплоносителя и грузы-якоря, труба скомпонована в трубную решетку с несколькими, по меньшей мере двумя, вертикальными рядами и несколькими, по меньшей мере двумя, горизонтальными рядами параллельных прямых участков, а рама снабжена поплавками, по меньшей мере одним, обеспечивающими раме с трубной решеткой плавучесть в воде, и соединена с грузами-якорями с помощью тросов.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1-3.
На Фиг. 1 представлена общая схема устройства.
На Фиг. 2 показана схема расположения устройства в русле водотока.
На Фиг. 3 показана схема расположения устройства в русле водотока, покрытого слоем льда.
Устройство для отбора теплоты от поверхностного водотока содержит раму 1, к которой прикреплена трубная решетка 2 и поплавки 3. Рама соединяется с грузами-якорями 4 с помощью тросов 5. Описанная конструкция предполагает, что грузы-якоря могут быть соединены тросами с основной частью устройства таким образом, чтобы расстояние от грузов до рамы возможно было оперативно изменять. Так, с помощью тросов 5, свободно проходящих через проушины 6 на грузах 4, установленных на дне русла и выведенных концами на берег, возможно изменение глубины погружения и угла наклона устройства.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
Устройство устанавливается в водотоке в области наибольшей скорости течения, грузы-якоря 4 устанавливаются на дне, остальная часть конструкции поддерживается наплаву за счет подъемной силы поплавков 3 и удерживается тросами 5 на некотором расстоянии от дна. Нагреваемый теплоноситель, имеющий температуру ниже температуры воды в водотоке, прокачивается через внутренние каналы трубной решетки 2 и выходит из нее с температурой, близкой к температуре водотока. Теплоноситель подводится к устройству и отводится по подводящим трубам (шлангам) 7, которые должны обладать достаточной гибкостью, чтобы не ограничивать подвижность устройства.
Улучшение параметров теплообмена достигается за счет использования естественного движения воды в направлении течения для интенсификации теплообмена. Известно, что скорость течения воды в открытом русле принимает наибольшие значения вблизи поверхности, а в случае наличия ледяного покрова зона наибольшей скорости течения смещается вглубь, ближе к середине потока (Г.В. Железняков. Теория гидрометрии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976). Указанные факты используется в данном изобретении для решения поставленной задачи, так как устройство, плавучесть которого обеспечивается поплавками 3, можно расположить и удерживать с помощью тросов 5 в зоне наибольшей скорости течения водотока. Улучшение теплообменных характеристик также происходит за счет того, что при такой конструкции и расположении устройства в русле обеспечивается поперечное обтекание потоком воды прямых участков трубной решетки 2, что интенсифицирует процесс теплопередачи.
При использовании устройства в условиях замерзающего водотока на период наличия ледяного покрова целесообразно подтягивать раму 1 с трубной решеткой 2 ближе ко дну, а в остальное время удерживать у поверхности водотока, таким образом, трубная решетка 2 будет находиться в зонах наибольшей скорости течения и устройство не окажется вмерзшим в лед. При этом даже существенное уменьшение уровня воды в русле не приведет к осушению трубной решетки 2, так как устройство начнет опускаться вслед за уровнем воды.
Для достижения наилучших теплообменных характеристик целесообразно изготавливать трубную решетку 2 из металлических труб, так как в этом случае тепловое сопротивление стенки трубы оказывает минимальное влияние на процесс теплопередачи, но возможно также использование полимерных или металлополимерных труб. На предпочтительность того или иного материала влияют, в частности, такие параметры, как коррозионная активность воды и теплоносителя, а также интенсивность теплоотдачи на границах жидкость-стенка, что связано, в том числе, со скоростью течения в месте установки.
Предлагаемое устройство может также использоваться для сброса избыточной теплоты в водоток, например, отводить теплоту от теплового насоса, переключенного в режим охлаждения объекта.
Список литературы
1. Патент на изобретение CN 102368026 A.
2. Г.В. Железняков. Теория гидрометрии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 330 с., ил.
3. Technical Information Sheet - Pond Mats [Электронный ресурс]. URL: http://www.kensaengineering.com/Library/Technical%20Data/TIS_Pond_Mats-v2.pdf