СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
METHOD AND DEVICE FOR HEAT TRANSFER

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для передачи большого количества тепла при малых перепадах (градиентах) температуры на большие расстояния, в частности, может быть использовано для передачи значительных потоков теплоты от устройства к устройству, например, для передачи тепловой мощности до 10 кВт и более на расстояния от 0,01 м до 1 км и более.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области техники имеется необходимость передачи значительных потоков теплоты, порядка единиц или десятков киловатт от источника тепла к потребителю тепла, находящемуся на значительном расстоянии, порядка десятков метров и до 1 км. Более того, в условиях повышенной искроопасной и пожароопасной окружающей среды необходимо максимально разнести в пространстве источник получения теплоты, в котором теплоту получают посредством сжигания топлива, и потребителя теплоты, находящегося в условиях повышенной искроопасной и пожароопасной окружающей среды. В области техники известны способы передачи тепла, основанные на использовании тепловых труб.
В наиболее близком аналоге RU 2014106980 предложен способ теплопередачи, в котором: с помощью источника тепловой энергии осуществляют нагрев одной или более емкости испарителя, заполненной, по меньшей мере, двумя различными текучими средами, причем первая из текучих сред находится в газообразной фазе, а вторая текучая среда находится в жидкой фазе; причем нагревание вызывает повышение давления в емкости испарителя и переход жидкой фазы второй текучей среды в газообразную фазу второй текучей среды, которая смешивается с газообразной фазой первой текучей среды; под действием повышенного давления в емкости испарителя обеспечивают перемещение смеси газообразных фаз первой и второй текучих сред, по одному или более паровому трубопроводу в один или более конденсатор, в котором обеспечивают конденсацию газообразной фазы второй текучей среды с отдачей теплоты конденсации приемнику тепловой энергии и образованием жидкой фазы второй текучей среды; под действием повышенного давления в емкости испарителя обеспечивают перемещение сконденсированной жидкой фазы второй текучей среды, смешанной с газообразной фазой первой текучей среды, по жидкостному трубопроводу в одну или более накопительную емкость, до тех пор, пока давление в емкости испарителя больше давления в накопительной емкости; после того как в емкости испарителя обеспечен переход всей второй текучей среды из жидкой фазы в газообразную фазу, и в то время как конденсация газообразной фазы второй текучей среды в конденсаторе продолжается, обеспечивают уменьшение давления в емкости испарителя до значения давления, меньшего чем значение давления в накопительной емкости, в результате чего обеспечивают перетекание сконденсированной жидкой фазы второй текучей среды и газообразной фазы первой текучей среды из накопительной емкости в емкость испарителя через один или более обратный клапан, установленный на одном или более возвратном трубопроводе.
Вышеуказанный аналог имеет ряд недостатков и ограничений в использовании. В частности, в предложенной схеме емкость испарителя будет перегреваться, за счет того, что находящаяся в ней жидкость уже вся выкипела, в то время как сконденсированная жидкость еще не поступила из емкости накопителя, что приведет к излишним затратам топлива, а также потребует наличия дополнительного объема для аккумулирования тепла горелки, что приведет к увеличению затрат на производство емкости испарителя.
Также в такой системе необходимо наличие дополнительного сепаратора предназначенного для разделения смеси газообразной фазы первой текучей среды и сконденсированной жидкой фазы второй текучей среды, выходящей из накопительной емкости, на поток газообразной фазы первой текучей среды и поток жидкой фазы второй текучей среды, и обеспечивающего задержку между временем поступления газообразной фазы первой текучей среды и временем поступления жидкой фазы второй текучей среды в емкость испарителя, когда сначала поступает газообразная фаза первой текучей среды, а затем поступает жидкая фаза второй текучей среды. Такая конфигурация дополнительно усложняет конструкцию и ведет к увеличению стоимости системы.
Более того, в наиболее близком аналоге возврат сконденсированной текучей среды будет возможен только в том случае, если обеспечен переход всей второй текучей среды из жидкой фазы в газообразную фазу в емкости испарителя, что накладывает ограничение в использовании предложенной системы только в циклическом режиме. С целью преодоления вышеуказанных недостатков предложен новый способ теплопередачи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
На фиг. 1 представлен вариант осуществления устройства теплопередачи, в котором одна или более емкость (1)(1') испарителя соединена напрямую с конденсатором и накопительная емкостью посредством трубопровода (2).
На фиг. 2 представлен вариант осуществления устройства теплопередачи, в котором накопительная емкость дополнительно соединена с каждой из по меньшей мере одной емкости (1), (1') испарителя возвратным трубопроводом (6), на котором установлено по меньшей мере одно или более запорное средство (7).
На фиг. 3 представлен вариант осуществления устройства теплопередачи, в котором накопительная емкость (5) дополнительно соединена с каждой из по меньшей мере одной емкости (1), (1') испарителя возвратным трубопроводом (6), на котором установлено по меньшей мере одно или более запорное средство (7), причем каждая из по меньшей мере одной емкости (1), (1') испарителя также соединена с трубопроводом (2) посредством по меньшей мере одного или более запорного средства (7), и возврат жидкой фазы второй текучей среды в емкость(1), (1') испарителя осуществляют по возвратному трубопроводу (6).
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с заявленным изобретением предложен способ теплопередачи и устройство, реализующее заявленный способ. Устройство теплопередачи, представленное на фиг. 1, содержит емкость (1), (1') испарителя, заполненную, по меньшей мере, двумя различными текучими средами, причем первая текучая среда находится в газообразной фазе, а вторая текучая среда находится в жидкой фаз. Трубопровод (2), соединяющий емкость (1), (1') испарителя с конденсатором (3) и накопительной емкостью (5), которые заполнены первой текучей средой находящейся в газообразной фазе с давлением Р0 от 0,3 атм до 50 атм и более.
В качестве емкости (1), (1') испарителя может выступать резервуар, выполненный в форме многогранника, тела вращения или их комбинации, а также в форме змеевика или группы змеевиков. Также могут быть использованы несколько емкостей испарителя, например, в виде нескольких резервуаров, соединенных между собой соответствующими каналами для перемещения текучих сред. В частном случае объем емкости испарителя составляет 5 литров.
В качестве текучей среды, находящейся в жидкой фазе используют холодильный агент, спирты, ацетон, воду, антифризы, гликоли или их смеси, либо жидкие металлы.
В качестве текучей среды, находящейся в газообразной фазе используют воздух, азот, гелий, водород, углекислый газ, или их смеси.
После заполнения емкости испарителя текучей средой в жидкой фазе и заполнения трубопровода (2), конденсатора (3) и накопительной емкости (5) первой текучей средой, находящейся в газообразной фазе, к емкости испарителя подводят тепло посредством сжигания топлива, нагрева с помощью электрических источников, теплом уходящих газов от турбогенераторов, сбросным теплом теплоэнергетических установок и технологических установок, солнечной и геотермальными источниками тепла или их комбинации. Также нагрев может быть осуществлен любым другим способом, известным из уровня техники.
Во время нагревания емкости (1), (1') испарителя происходит испарение текучей среды, находящейся в жидкой фазе, и переход жидкой фазы второй текучей среды в парообразную фазу текучей среды. При испарении жидкой фазы текучей среды и повышении давления в емкости испарителя (1), (1') парообразная фаза текучей среды перемещается в конденсатор (3) по трубопроводу (2). Трубопровод (2) соединяет емкость (1) испарителя с конденсатором (3) и обеспечивает перемещение по нему смеси газообразных фаз первой и второй текучих сред. Длина парового трубопровода составляет от 0,01 м до более чем 1 км. Давление в испарителе при переходе жидкой фазы второй текучей среды в газообразную фазу больше давления в накопительной емкости на 5-10 атмосфер и более.
Трубопровод (2) может быть реализован посредством нескольких трубопроводов, соединенных между собой каналами для прохождения текучей среды. Парообразная фаза текучей среды поступает в конденсатор, где она охлаждается до температуры насыщения и отдает тепло приемнику тепловой энергии, после конденсации парообразная фаза текучей среды переходят в сконденсированную жидкую фазу текучей среды. Конденсатор может представлять собой смешивающий конденсатор, либо поверхностный конденсатор, или их комбинации. В частности, конденсатор может представлять собой трубный пучок, состоящий из нескольких змеевиков. Верхние трубы змеевиков соединены с трубопроводом (2), а нижние - с трубопроводом (4).
Сконденсированная жидкая фаза текучей среды выходит из конденсатора под действием повышенного давления в емкости испарителя и поступает в трубопровод (4), соединяющий конденсатор (3) с накопительной емкостью (5), в которой происходит накопление сконденсированной жидкой фазы второй текучей среды и накопление энергии сжатия газообразной фазы первой текучей среды с возрастанием давления в накопительной емкости (5) за счет сжатия текучей среды в газообразной фазе в накопительной емкости (5).
2
Длина каждого из трубопровода (2), конденсатора (3), трубопровода (4), составляет от 0,01 м до 10 км. Также возможен вариант, в котором трубопровод (2), конденсатор (3), трубопровод (4) представляют собой единый трубопровод с одинаковым поперечным сечением, либо множество трубопроводов с различными поперечными сечениями, причем трубопроводы соединены последовательно или параллельно. Возможен также вариант, в соответствии с которым единый трубопровод представляет собой коаксиальную трубчатую конструкцию, разделенную по меньшей мере одним теплоизолирующим слоем. Причем парообразная фаза текучей среды подается по внешнему кольцевому пространству, а сконденсированная жидкая фаза текучей среды возвращаются по внутреннему кольцевому пространству, либо наоборот подача осуществляется по внутреннему кольцевому пространству, а возврат осуществляется по внешнему кольцевому пространству. В частном случае длина единого трубопровода, составляет 70 м, а площадь поперечного сечения единого трубопровода, составляет 0,00002 м.
Накопительная емкость (5) может представлять собой резервуар, выполненный в форме многогранника, тела вращения или их комбинации. Также накопительная емкость может быть выполнена в виде нескольких резервуаров, соединенных между собой соответствующими каналами для перемещения текучих сред. Трубопровод (4) соединен с накопительной емкостью (5) посредством впускного отверстия в накопительной емкости, расположенного в нижней части накопительной емкости (5).
После достижения заданного давления в по меньшей мере одной из емкостей (1), (1') испарителя, конденсаторе (3) или накопительной емкости (5); или при достижении заданного времени нагрева емкости (1), (1') испарителя, при достижении заданной температуры в емкости (1), (1') испарителя, заданного уровня сконденсированной второй текучей среды в конденсаторе (3) или накопительной емкости (5); либо при достижении необходимого количества переданной энергии от источника нагрева к приемнику тепла, сокращают нагрев по меньшей мере одной емкости (1), (1') испарителя, что обеспечивает снижение температуры и снижение давления в емкости (1), (1') испарителя до значения, при котором разность между давлением в накопительной емкости (5) и давлением в емкости (1), (1') испарителя, а также накопленная энергия сжатия газообразной фазы первой текучей среды обеспечивают возврат жидкой фазы второй текучей среды в по меньшей мере одну емкость(1), (1') испарителя.
Изменение уровня сконденсированной текучей среды в накопительной емкости можно отслеживать с помощью датчика уровня жидкости, или любым другим датчиком, известным из уровня техники. Изменение давления или температуры отслеживают с помощью датчика давления или температуры, известного из уровня техники. Измерение времени отслеживают любым известным из уровня техники устройством измерения времени.
При сокращении нагрева емкости (1), (1') испарителя в емкости (1), (1') испарителя происходит снижение давления, в частном случае вплоть до образования вакуума, и такое снижение давления, совместно с накопленной энергией сжатия газообразной фазы первой текучей среды в накопительной емкости (5) обеспечит возможность возврата сконденсированной второй текучей среды из накопительной емкости (5) обратно через трубопровод (4), конденсатор (3) и трубопровод (2) в одну или более емкость (1), (1') испарителя. Причем, это снижение давления, совместно с накопленной энергией сжатия газообразной фазы первой текучей среды в накопительной емкости позволит преодолеть давление высоты столба жидкой фазы второй текучей среды в трубопроводе (2), трубопроводе (4), конденсаторе (3) и накопительной емкости (5), для обеспечения возврата сконденсированной второй текучей среды обратно в емкость (1), (1') испарителя. Причем, такая высота столба может составлять от 1 до 100 м и более. Такой вариант осуществления может применяться для передачи тепла в подземное пространство, например, емкость (1), (1') испарителя может находиться на поверхности земли, в то время как приемник тепловой энергии может находиться на глубине от 1 до 100 м и более под поверхностью земли.
В варианте осуществления изобретения, изображенном на фиг. 2, представлено устройство теплопередачи, в котором накопительная емкость (5) дополнительно соединена с каждой из по меньшей мере одной емкости (1), (1') испарителя возвратным трубопроводом (6), на котором установлено по меньшей мере одно или более запорное средство (7), и возврат жидкой фазы второй текучей среды в емкость (1), (1') испарителя осуществляют по возвратному трубопроводу (6).
В данном варианте осуществления запорное средство (7) представляет собой одно выбранное из группы, содержащей: клапан управляемый вручную, клапан, управляемый автоматически, обратный клапан. Необходимость установки запорного средства (7) на трубопроводе (4) вызвана тем, что при сокращении нагрева емкости (1), (1') испарителя и снижения давления в ней, сжатая газообразная фаза первой текучей среды в накопительной емкости (5) будет стремиться как к перемещению обратно в емкость (1), (1') испарителя через конденсатор и трубопровод (2), так и по возвратному трубопроводу (6). Наличие запорного средства (7) на трубопроводе (4) будет предотвращать перемещение газообразной фазы первой текучей среды из накопительной емкости (5) обратно в емкость (1), (1') испарителя через конденсатор и трубопровод (2), и будет способствовать перемещению сконденсированной второй текучей среды и газообразной фазы первой текучей среды обратно в емкость (1), (1') испарителя. Необходимость установки запорного средства (7) на возвратном трубопроводе (6) вызвана тем, что при осуществлении нагрева емкости (1), (1') испарителя и повышения давления в ней, сжатая газообразная фаза первой текучей среды и парообразная фаза второй текучей среды будут стремиться как к перемещению в накопительную емкость (5) по трубопроводу (2) через конденсатор (3) и трубопровод 4, так и по возвратному трубопроводу (6). Наличие запорного средства (7) на трубопроводе (6) будет предотвращать перемещение газообразной фазы первой текучей среды из емкости (1), (1') испарителя в накопительную емкости (5) через возвратный трубопровод (6) при нагреве, и будет способствовать перемещению сконденсированной второй текучей среды и газообразной фазы первой текучей среды из емкости (1), (1') испарителя в накопительную емкость (5) по трубопроводу (2) через конденсатор (3) и трубопровод 4.
В одном варианте осуществления, представленном на Фиг. 3, накопительная емкость (5) дополнительно соединена с каждой из по меньшей мере одной емкости (1), (1') испарителя возвратным трубопроводом (6), на котором установлено по меньшей мере одно или более запорное средство (7), причем каждая из по меньшей мере одной емкости (1), (1') испарителя также соединена с трубопроводом (2) посредством по меньшей мере одного или более запорного средства (7), и возврат жидкой фазы второй текучей среды в емкость(1), (1') испарителя осуществляют по возвратному трубопроводу (6).
В данном варианте осуществления обеспечивают нагрев по меньшей мере одной емкости (1) испарителя из по меньшей мере двух емкостей (1), (1') испарителя, причем до сокращения нагрева емкости (1) испарителя, с помощью источника тепловой энергии, обеспечивают нагрев емкости (1') испарителя, что вызывает испарение жидкой фазы второй текучей среды и повышение давления в емкости (1') испарителя с образованием парообразной фазы второй текучей среды, которая смешивается с газообразной фазой первой текучей среды и перемещение по трубопроводу (2) парообразной фазы второй текучей среды и газообразной фазы первой текучей среды из емкости испарителя (1') в конденсатор (3), с конденсацией парообразной фазы второй текучей среды и отдачей теплоты конденсации приемнику тепловой энергии и образованием жидкой фазы второй текучей среды, и перемещением сконденсированной жидкой фазы второй текучей среды и газообразной фазы первой текучей среды, по жидкостному трубопроводу (4) в накопительную емкость (5) с накоплением энергии сжатия газообразной фазы первой текучей среды, и причем сокращение нагрева емкости (1) испарителя обеспечивает перемещение сконденсированной жидкой фазы второй текучей среды и газообразной фазы первой текучей среды из накопительной емкости (5) по жидкостному трубопроводу (4) в емкость (1) испарителя через одно или более запорное средство (7), установленное на одном или более возвратном трубопроводе (6).
В данном варианте осуществления сначала греют одну из емкостей (1) испарителя, в то время как другую емкость испарителя (1') начинают нагревать до сокращения нагрева емкости (1) испарителя. При нагреве только одной емкости (1') испарителя сконденсированная вторая текучая среда направляется как в накопительную емкость (5), так и в емкость (1') испарителя, при подключении нагрева емкости (1') парообразная фаза второй текучей среды и газообразная фаза первой текучей среды начинают одновременно поступать в трубопровод (2) и конденсатор (3) с конденсацией второй текучей среды и перемещением сконденсированной второй текучей среды в накопительную емкость (5) с накоплением энергией сжатия газообразной фазы первой текучей среды в накопительной емкости (5). Сокращение нагрева емкости (1) испарителя обеспечивает перемещение сконденсированной жидкой фазы второй текучей среды и газообразной фазы первой текучей среды из накопительной емкости (5) по жидкостному трубопроводу (4) в емкость (1) испарителя через одно или более запорное средство (7), установленное на одном или более возвратном трубопроводе (6).
Этот вариант осуществления позволит обеспечить непрерывный перенос тепла от источника нагрева к удаленно установленному приемнику теплоту, и обеспечит сокращение затрат топлива, и избавит от необходимости наличия дополнительного объема для аккумулирования тепла горелки, и снижение затрат на производство емкости испарителя. Данная система позволит исключить наличие сепаратора, ввиду того, что нет необходимости в отслеживании типа текучей среды (газ или жидкость), которая вернется в емкость испарителя.
Более того, в настоящем изобретении возврат сконденсированной текучей среды будет возможен без учета того, обеспечен ли переход всей второй текучей среды из жидкой фазы в газообразную фазу в емкости испарителя, исключает использовании предложенной системы только в циклическом режиме, а обеспечивает возможность непрерывной подачи теплоты к потребителю теплоты.
В другом варианте осуществления обеспечивают одновременный нагрев двух или более емкостей (1), (1') испарителя, что вызывает испарение жидкой фазы второй текучей среды и повышение давления в двух или более емкостях (1), (1') испарителя с образованием парообразной фазы второй текучей среды, которая смешивается с газообразной фазой первой текучей среды и перемещение по трубопроводу (2) парообразной фазы второй текучей среды и газообразной фазы первой текучей среды в двух или более емкостей (1), (1') испарителя в конденсатор (3), с конденсацией парообразной фазы второй текучей среды и отдачей теплоты конденсации приемнику тепловой энергии и образованием жидкой фазы второй текучей среды, и перемещением сконденсированной жидкой фазы второй текучей среды и газообразной фазы первой текучей среды, по жидкостному трубопроводу (4) в накопительную емкость (5) с накоплением энергии сжатия газообразной фазы первой текучей среды, и причем сокращение нагрева емкости (1) испарителя обеспечивает перемещение сконденсированной жидкой фазы второй текучей среды и газообразной фазы первой текучей среды из накопительной емкости (5) по жидкостному трубопроводу (4) в емкость (1) испарителя через одно или более запорное средство (7), установленное на одном или более возвратном трубопроводе (6), а сокращение нагрева емкости (1') испарителя обеспечивает перемещение сконденсированной жидкой фазы второй текучей среды и газообразной фазы первой текучей среды из накопительной емкости (5) по жидкостному трубопроводу (4) в емкость (1') испарителя через одно или более запорное средство (7), установленное на одном или более возвратном трубопроводе (6).
Этот вариант осуществления позволит обеспечить непрерывный перенос тепла от источника нагрева к удаленно установленному приемнику теплоту, и обеспечит сокращение затрат топлива, и избавит от необходимости наличия дополнительного объема для аккумулирования тепла горелки, и снижение затрат на производство емкости испарителя.
Более того, в настоящем изобретении возврат сконденсированной текучей среды будет возможен без учета того, обеспечен ли переход всей второй текучей среды из жидкой фазы в газообразную фазу в емкости испарителя, что исключает использовании предложенной системы только в циклическом режиме, а обеспечивает возможность непрерывной подачи теплоты к потребителю теплоты.
Заявленное изобретение позволит исключить перегрев емкости испарителя, излишние затраты топлива, а также снизит использование дополнительного объема для аккумулирования тепла горелки, что приведет к снижению затрат на производство емкости испарителя, и обеспечит возможность непрерывной подачи теплоты к потребителю теплоты.
Заявленное изобретение найдет применение в условиях Крайнего Севера при добыче углеводородов, а также в системах отопления, без использования электричества, необходимого для работы циркуляционного насоса, перекачивающего текучую среду по отопительному контуру, а также когда необходимо обеспечить сжигание доступных углеводородов на значительном расстоянии от потребителя тепла, находящегося в условиях повышенной искропожароопасной окружающей среды, например, на буровой площадке, либо для передачи тепла в подземное пространство.