СПОСОБ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ И АНТИГРАВИТАЦИОННАЯ БЕСФИТИЛЬНАЯ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА
HEAT TRANSFER METHOD AND ANTI-GRAVITATIONAL WICKLESS HEAT PIPE

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в системах аккумулирования теплоты и холода.
Известные конструкции обычных гравитационных тепловых труб или термосифонов представляют собой устройства, в которых подвод (в приемнике) и последующее отведение теплоты (в передатчике) осуществляется, соответственно, в их нижних и верхних частях. Таким образом, ориентация теплопередающей трубы в пространстве строго определена и формирует граничные условия эксплуатации.
Для случаев, при которых подвод теплоты следует осуществлять в верхней точке, разработаны теплопередающие трубы с противоположным расположением приемника и передатчика [Дан П.Д., Рей Д.А. Тепловые трубы. Москва, «Энергия», 1979, с.168]. К ним относятся антигравитационный термосифон и обратные фитильные трубы, обладающие, между тем, рядом недостатков.
Основным недостатком существующих антигравитационных термосифонов является их сложная конструкция, которая для возврата конденсата в испаритель должна содержать «паровой подъемный насос», либо электродвигатель в нижней части. Кроме того, обратные фитильные тепловые трубы, основанные на капиллярном эффекте, имеют предельное расстояние передачи теплоты в пределах 1 м.
Известен способ работы тепловой трубы, по существу, теплопередачи путем частичного испарения теплоносителя в зоне испарения, отделения пара от жидкости, транспортированния паров под действием перепада давлений в зону конденсации, конденсации паров, смешения конденсата с отделенной жидкостью, транспортирования теплоносителя вниз под действием сил тяжести и вязкостных сил в зону испарения и частичного охлаждения его при транспортировании, в котором для повышения термодинамической эффективности при передаче тепла сверху вниз, в качестве, теплоносителя используют смесь жидкостей, выделяющих тепло при смешении, причем перед смешением конденсата и отделенной жидкости их транспортируют вниз раздельно, а конденсацию осуществляют при начальной температуре, соответствующей значению, вычисленному с использованием математического выражения (SU 1064113, 1983).
Недостатком известного способа является его сложность в осуществлении и низкая энергоэффективность.
Известно в технике использование разницы в температуре воды на поверхности и в глубине. Используют тепловое расширение рабочего тела для перемещения объекта находящегося в верхней точке траектории до тех пор, пока рабочее тело не нагреется до температуры окружающей среды и давление насыщенных паров не повысится до соответствующего уровня. При достижении нижней точки траектории объект находится в состоянии нейтральной плавучести до охлаждения рабочего тела до температуры окружающей среды, конденсации паров и уменьшения давления насыщенных паров. Здесь используется градиент температуры окружающей среды для перемещения объекта по глубине (RU 2124457, 1999).
Это известное техническое решение не предназначено для передачи теплоты с поверхности воды (из вышерасположенной области) на глубину (в нижерасположенную область), а сводится к использованию разницы температур между верхней (на поверхности воды) и нижней (в глубине) областями для перемещения объекта по вертикали в водоеме. Здесь объем теплоносителя неограничен.
Предлагается группа технических решений, которая объединена единым изобретательским замыслом и представляет собой способ теплопередачи и реализующую его антигравитационную бесфитильную трубу.
Техническим результатом предложенной группы технических решений является повышение энергоэффективности.
Технический результат достигается тем, что способ теплопередачи включает размещение в первом теплоносителе второго теплоносителя и теплообмен между ними, при этом используют второй теплоноситель, способный к перемещению в первом теплоносителе за счет уменьшения его объема при повышении температуры для переноса аккумулированной тепловой энергии, причем аккумулируют тепловую энергию в вышерасположенной области первого теплоносителя с более высокой температурой, а переносят аккумулированную тепловую энергию в нижерасположенную область первого теплоносителя с более низкой температурой.
Способствует достижению технического результата то, что используют второй теплоноситель, способный к перемещению в первом теплоносителе из нижерасположенной области первого теплоносителя с более низкой температурой в вышерасположенную область первого теплоносителя с более высокой температурой за счет увеличения объема второго теплоносителя при понижении температуры, а также то, что используют второй теплоноситель, охваченный разделяющей их, по крайней мере, единичной поверхностью, и для теплообмена используют второй теплоноситель и упомянутую, по крайней мере, единичную поверхность.
Технический результат в отношении объекта изобретения - устройства - достигается тем, что антигравитационная тепловая труба включает зону приема теплоты теплоносителем, расположенную в верхней части трубы, зону отвода теплоты теплоносителем, расположенную в нижней части трубы, и средство переноса теплоты из зоны приема теплоты теплоносителем в зону отвода теплоты теплоносителем, выполненное с возможностью уменьшения своего объема от максимального значения, обусловленного необходимостью его плавучести в зоне приема теплоты теплоносителем, до минимального значения - по условиям его устойчивого перемещения в зону отвода теплоты теплоносителем, обусловленного смещением равновесия между силами его плавучести и силами тяжести в сторону последних вследствие повышения температуры.
В частном случае средство переноса теплоты выполнено с возможностью возвращения в зону приема теплоты теплоносителем при восстановлении равновесия между силами его плавучести и силами тяжести вследствие снижения температуры и может быть выполнено в виде, по крайней мере, одной капсулы - газовой емкости.
Газовая емкость может быть выполнена из материала, обладающего за счет эффекта Гуха-Джоуля свойством сжатия при повышении температуры, приводящего к уменьшению объема газовой емкости.
В другом варианте газовая емкость выполнена из эластичного материала и охвачена полимерной сеткой, обладающей за счет эффекта Гуха-Джоуля свойством сжатия при повышении температуры.
Еще в одном варианте газовая емкость выполнена из эластичного материала и полуохвачена снаружи средством, способным ее сжимать при повышении температуры для уменьшения объема газовой емкости.
В свою очередь средство, способное сжимать при повышении температуры газовую емкость, выполненную из эластичного материала, представляет собой подковообразный биметаллический элемент или кинематический механизм, связанный с приводом в виде сильфона, заполненного легкокипящей жидкостью.
Предложение поясняется графическими изображениями, на которых: на фиг.1-3 показаны варианты выполнения газовых емкостей антигравитационной тепловой трубы при нахождении в верхнем положении в вышерасположенной области первого теплоносителя в зоне аккумулирования (приема) теплоты теплоносителем; на фиг.4-6-то же при нахождении в нижнем положении в нижерасположенной области первого теплоносителя с более низкой температурой в зоне отдачи (отвода) теплоты теплоносителем.
Антигравитационная тепловая труба заполнена теплоносителем и содержит собственно саму трубу (не показана) с зоной приема теплоты теплоносителем, расположенной в верхней ее части, зоной отвода теплоты теплоносителем, расположенной в нижней ее части, и средство переноса теплоты из зоны приема теплоты теплоносителем в зону отвода теплоты теплоносителем. Средством переноса теплоты являются газовые емкости (капсулы), которые выполнены с возможностью уменьшения своего объема вследствие повышения температуры и восстановления первоначальной формы при снижении температуры.
По своей конструкции капсулы могут быть нескольких видов (вариантов). Технологически наиболее простыми по конструкции могут быть воздушные шарики 1, в том числе обтянутые полимерными сетками 2, обладающими за счет эффекта Гуха-Джоуля [Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Физика в мире полимеров. Москва, «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1999, с.105] свойством сжиматься при повышении температуры (фиг.1, 4).
Другим вариантом конструктивного выполнения капсулы может быть воздушный шар или цилиндр 1, образованный эластичной оболочкой с элементами 3 жесткости, полуохваченный снаружи средством, способным сжимать при повышении температуры для уменьшения объема газовой емкости, например биметаллической пластиной 4, сжимающей шар при увеличении температуры (фиг.2, 5). В этой конструкции биметаллическая пластина (подковообразный биметаллический элемент) 4 взаимодействует (контактирует или имеет связь) с элементами 3 жесткости.
В третьем варианте биметаллическая пластина может быть заменена на кинематический механизм 6, связанный с приводом в виде сильфона 5, заполненного легкокипящей жидкостью (фиг.3, 6). Кинематический механизм 6 имеет шарниры и так устроен, что одни его шарнирные звенья взаимодействуют с элементами 3 жесткости эластичной оболочки воздушного шара 1, а другие с подвижными стенками сильфона 5. Изменение объема капсул, выполненных по третьему варианту, достигается в результате включения в работу привода (сильфона 5).
Способ теплопередачи осуществляют следующим образом. Размещают в первом теплоносителе в виде жидкости (например, воде), второй теплоноситель, охваченный разделяющей их поверхностью (эластичной оболочкой) и являющийся средством переноса теплоты в виде газовых емкостей (капсул), т.е. создают в трубе двухкомпонентную среду. Единичную поверхность, охватывающую второй теплоноситель (газ), формирует эластичная оболочка воздушного шара 1. Второй теплоноситель способен к перемещению в первом теплоносителе совместно с охватывающей его разделяющей поверхностью (эластичной оболочкой) в результате расходования им части тепловой энергии, полученной из первого теплоносителя.
Начальный объем капсул определяют исходя из обеспечения их плавучести на поверхности жидкости (первое крайнее положение), минимальный объем - по условиям устойчивого движения до нижней точки трубы (второе крайнее положение).
Движение капсул от первого крайнего положения до второго крайнего положения связано с уменьшением их объема от максимального значения, обусловленного необходимостью плавучести в зоне приема теплоты теплоносителем, до минимального значения - по условиям устойчивого перемещения в зону отвода теплоты теплоносителем, обусловленного смещением равновесия между силами плавучести и силами тяжести в сторону последних. Вследствие этого движения осуществляется перенос оставшейся части тепловой энергии, полученной из вышерасположенной области первого теплоносителя с более высокой температурой, в нижерасположенную область первого теплоносителя с более низкой температурой. Таким образом, происходит передача теплоты из верхней части трубы в ее нижнюю часть и осуществляется теплообмен.
За счет теплообмена между жидкостью и капсулами температура последних снижается, что приводит к увеличению их объема и, соответственно, восстановлению равновесия между силами плавучести и тяжести - всплытию капсул, т.е. второй теплоноситель из нижерасположенной области первого теплоносителя с более низкой температурой перемещается в вышерасположенную область первого теплоносителя с более высокой температурой после полного израсходования им оставшейся части тепловой энергии.
Наличие большого числа капсул способствует устойчивому процессу теплообмена вдоль вертикально расположенной теплопередающей (антигравитационной тепловой) трубы.
Стабильно работающие антигравитационные тепловые трубы большой длины позволят существенно развить системы аккумулирования теплоты и холода, способствующие повышению энергоэффективности зданий и различного рода сооружений, особенно агропромышленного комплекса.
Переменные режимы работы установок с возобновляемыми источниками теплоты, обусловленные самой природой поступления энергии, могут быть существенно сглажены за счет использования предлагаемого способа и реализующих его тепловых труб указанной конструкции