ТЕПЛОМАССОПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемое техническое решение относится к области теплотехники. Энергосбережение в системах тепло- и хладоснабжения является одной из самых важных задач. Поэтому актуально использование двухфазного пульсационного насоса теплового действия, использующего возобновляемую или вторичную энергию источника тепла для перекачки жидкости за счет периодического изменения давления пара.
Известно устройство (патент RU №94320, опубл. 20.05.2010 г.) «Тепломассопередающее устройство», состоящее из внутреннего контура, включающего последовательно соединенные испаритель, конденсатор-аккумулятор, соединяющие их трубопроводы жидкостной и паровой фазы, снабженное гидросифоном, загнутым концом, расположенным в конденсаторе-аккумуляторе, а другим концом - в испарителе, и внешнего контура в виде трубопровода с впускным обратным клапаном, расположенным на входе в конденсатор-аккумулятор, и выпускным обратным клапаном, расположенным на выходе из конденсатора-аккумулятора.
Данное устройство обладает следующими недостатками: малая производительность из-за наличия периодов доиспарения жидкости в испарителе, периодов больших и малых колебаний, то есть недостаточная стабильность, возможное наличие паровой фазы во внешнем контуре.
Техническая задача, решаемая предлагаемым тепломассопередающим устройством, состоит в достижении его устойчивой работы как насоса теплового действия при передаче жидкости, повышении его производительности за счет сокращения периода доиспарения, периода падение давления в системе и периода малых колебаний.
Поставленная задача решается тем, что известное тепломассопередающее устройство, содержащее внутренний контур, включающий последовательно соединенные испаритель, конденсатор-аккумулятор, соединяющие их трубопроводы жидкостной и паровой фазы, гидросифон, загнутым концом расположенный в конденсаторе-аккумуляторе, а другим концом в испарителе, и внешний контур в виде трубопровода с впускным обратным клапаном, расположенным на входе в конденсатор-аккумулятор и выпускным обратным клапаном, расположенным на выходе из конденсатора-аккумулятора, согласно полезной модели снабжено эжектором, соединенным трубопроводом канала рабочего потока с конденсатором-аккумулятором и трубопроводом эжектируемой жидкости с нижней частью испарителя на входе и соединенным трубопроводом с выпускным обратным клапаном на выходе.
Принципиальная схема тепломассопередающего устройства представлена на фиг.1. На фиг.2 представлен график изменения объема жидкости в устройстве во времени.
Тепломассопередающее устройство, являющееся насосом теплового действия, состоит из внутреннего 1 и внешнего 2 контуров (фиг.1). Внутренний контур содержит испаритель 3 с капиллярно-пористым телом внутри, конденсатор-аккумулятор 4 с жидкостным поршнем 5, соединенный с испарителем 3 трубопроводом паровой фазы 6, и трубопроводом жидкостной фазы 7 с гидросифоном 8, представляющим собой трубку определенного диаметра с определенной длиной загнутой части, обеспечивающей необходимый объем подачи жидкости в испаритель. Внешний контур 2 устройства может быть открытым и закрытым и состоит из трубопроводов с впускным обратным клапаном 9 и выпускным обратным клапаном 10, расположенными соответственно на входе и выходе из конденсатора-аккумулятора 4. В открытой системе во внешнем контуре может присутствовать промежуточный сосуд 11. Перед выпускным клапаном 10 помещен эжектор 12, соединенный трубопроводом канала рабочего потока с конденсатором-аккумулятором 4 и трубопроводом эжектируемой жидкости с нижней частью испарителя 3 на входе и соединенным трубопроводом с выпускным обратным клапаном на выходе. В эжекторе рабочим потоком является пар из конденсатора-аккумулятора, а эжектируемым потоком является жидкость, оставшаяся в испарителе.
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
Тепломассопередающее устройство работает по циклу, изображенному на диаграмме фиг.2. Весь цикл можно разделить на 6 этапов: прогрев (0-τ), режим малых колебаний (τ-τ), слив из конденсатора накопителя (τ-τ), доиспарение жидкости из испарителя (τ-τ), падение давления в системе (τ-τ), заливка большого цикла (τ-τ).
1
1
2
В начальном состоянии, когда нагрузка отключена, испаритель 3 и конденсатор-аккумулятор 4 полностью заполнены водой. При подаче теплоты к испарителю начинается процесс прогрева (этап (0-τ), фиг.2). Процесс прогрева продолжается до закипания жидкости в испарителе 3. При кипении жидкости давление в устройстве возрастает до значения достаточного для открывания выпускного клапана 10. Часть жидкости сливается во внешний контур 2, после чего давление в устройстве падает и через впускной клапан 9 жидкость из промежуточного сосуда 11 попадает в рабочую полость конденсатора-аккумулятора 4. Этот цикл повторяется несколько раз. Данный режим называется режимом малых колебаний (этап (τ-τ), фиг.2). Для сокращения периода малых колебаний принципиально важным является правильный подбор впускного и выпускного обратных клапанов.
В режиме малых колебаний за один период объем жидкости выходящей из системы равен и чуть больше, чем входящей жидкости за этот период. В результате чего, в рабочей полости конденсатора-аккумулятора 4 с каждым новым периодом малых колебаний увеличивается объем, занятый паром.
2
3
Когда объем, занятый паром, достаточно велик, давление в устройстве большое, и впускной клапан 9 не может открыться для впуска жидкости, то открывается выпускной клапан 10, и происходит слив жидкостного поршня 5 из конденсатора-аккумулятора 4 во внешний контур 2 (этап (τ-τ), фиг.2).
3
4
Процесс слива происходит до полного выхода жидкостного поршня 5 из рабочей полости конденсатора-аккумулятора 4. Для ускорения процесса удаления излишнего объема жидкости из испарителя 3 используется эжектор 12. Он начинает эффективно работать с момента полного слива жидкостного поршня из конденсатора-аккумулятора, когда во внешний контур с большой скоростью, но в малых количествах начинает выдавливаться пар. Этого количества достаточно для создания в сечении эжектора разрежения, что вызывает отсос и удаление жидкости из испарителя в поток пара. Происходит смешивание пара из конденсатора-аккумулятора и жидкости из испарителя, что приводит к сокращению до минимума периода доиспарения оставшегося объема жидкости из испарителя, а кроме того, гарантирует отсутствие паровой фазы перед обратным клапаном. В проводимых экспериментах время доиспарения (этап (τ-τ), фиг.2) удалось снизить с 40 до 1 минуты. Все это ведет к существенному повышению производительности устройства, сокращению времени цикла, повышению надежности работы.
4
5
После осушения испарителя 3 давление в устройстве падает до значения, достаточного для открывания впускного клапана 9 (этап (τ-τ), фиг.2). Конденсатор-аккумулятор 4 наполняется жидкостью до верхнего уровня гидросифона 8.
5
6
Далее происходит слив жидкости через гидросифон 8 в испаритель 3, то есть, заливка большого цикла (этап (τ-τ), фиг.2). Таким образом, общий цикл повторяется вновь. Тепломассопередающее устройство осуществляет процесс автоколебаний.
Тепломассопередающее устройство, представляющее насос теплового действия, использующий возобновляемую или вторичную энергию источника тепла для перекачки жидкости за счет периодического изменения давления пара, обладает рядом преимуществ перед традиционными насосами. Это отсутствие потребности в электроэнергии, возможность использования вторичных и нетрадиционных возобновляемых источников тепла, большие возможности использования в теплотехнике, холодильной технике, космических технологиях.