ТЕПЛОТРУБНЫЙ НАСОС
HEAT TUBING PUMP

Предлагаемое изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано для утилизации вторичных тепловых энергоресурсов и низкопотенциальной тепловой энергии природных источников, а именно для перемещения жидкостей.
Известен насос с тепловым приводом, содержащий сильфонную рабочую камеру, приводную сильфонную камеру, заполненную легкокипящей жидкостью, закрепленных одним концом на корпусе, а другим к подвижной стенке, всасывающий и нагнетательный патрубки и клапаны, змеевиковые теплообменники для охлаждения легкокипящей жидкости и балластные грузы (SU 1665075 A, 23.07.1991).
К основным недостаткам известного насоса относятся низкая степень утилизации тепла источника, обусловленная затратой значительного количества утилизированной энергии на собственные нужды, а именно на преодоление гидравлических сопротивлений в змеевиковых теплообменниках и на перемещение балластных грузов.
Более близким к предлагаемому изобретению является насос с тепловым приводом, содержащий вертикальный корпус с впускными и выпускными клапанами, установленный в корпусе с образованием рабочей и насосной камер сильфон с подвижной нижней стенкой и размещенные в рабочей камере, частично заполненной легкокипящей жидкостью, испаритель и конденсатор со стенками из капиллярно-пористого материала (фитиля), соединенными между собой при помощи паронепроницаемой перегородки с образованием камеры (резервуара) для сбора конденсата (SU 1229422 А, 07.05.1986)
Недостатками известного насоса с тепловым приводом являются низкая скорость испарения и конденсации в теплообменных поверхностях испарителя и конденсатора, полностью покрытых капиллярно-пористым материалом (фитилем), периодичность подачи рабочей жидкости на испарение, обусловленная периодическим контактом фитиля испарителя и конденсатора, низкая скорость движения рабочей жидкости в фитиле, обусловленная заполнением паром его пор и соответствующим уменьшением количества транспортируемой рабочей жидкости, что снижает его надежность и эффективность.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности и эффективности теплотрубного насоса.
Технический результат достигается тем, что теплотрубный насос (ТТН), содержащий вертикальный корпус с впускными и выпускными клапанами, установленный в этом корпусе с образованием рабочей и насосной камер сильфон с подвижной нижней стенкой и размещенные в рабочей камере, частично заполненной легкокипящей жидкостью, испаритель и конденсатор со стенками из фитиля, паронепроницаемую перегородку, резервуар для сбора конденсата, причем рабочая камера выполнена в виде вертикальной тепловой трубы, в которой сверху вниз расположены: испарительная секция, верхняя торцевая стенка которой покрыта изнутри полосами пористого материала, а боковые стенки покрыты изнутри сплошным слоем фитиля; отделенная от нее перегородкой конденсационная секция, также изнутри покрытая сплошным слоем фитиля, являющегося продолжением фитиля испарительной камеры, причем фитиль в обеих камерах, в свою очередь, покрыт втулкой, установленной с некоторым зазором относительно верхней и нижней торцевых стенок корпуса тепловой трубы, перегородка снабжена центральным впускным отверстием, внутри конденсационной секции к центру торцевой стенки прикреплен шток с клапаном, часть наружной поверхности корпуса, образующая конденсационную секцию, покрыта снаружи сильфоном, жестко прикрепленным к корпусу своей верхней кромкой, края нижней торцевой стенки соединены с кромкой внутреннего борта кольцевого резервуара, кромка внешнего борта которого, в свою очередь, жестко соединена с нижней кромкой сильфона, а внешний борт покрыт упругим кольцевым нагнетательным клапаном, полость между сильфоном и корпусом образует камеру охлаждения, которая сообщается с паровым пространством конденсационной секции через патрубки, проходящие через отверстия во втулке, фитиле и корпусе трубы, насосная камера расположена в полости между сильфоном и вертикальным корпусом, снабженным коническим днищем, по внутреннему периметру которого устроен кольцевой буртик, служащий седловиной для клапана, а в коническом днище устроено всасывающее отверстие, в котором помещен всасывающий клапан и ограничитель.
В основе работы предлагаемого ТТН лежит высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, которые делятся на три участка: зона испарения (подвода теплоты), адиабатная зона (переноса теплоты) и зона конденсации (отвода теплоты), покрытые изнутри фитилем и частично заполненные рабочей жидкостью - переносчиком теплоты, в качестве которой используются вода, спирты, хладоны, жидкие металлы т.д. (В.В.Харитонов и др. Вторичные теплоэнергресурсы и охрана окружающей среды. Минск, Высшая школа, 1988, с. 106).
На фиг.1 представлен общий вид, на фиг.2, 3 - поперечный разрез и узел А предлагаемого ТТН.
Теплотрубный насос состоит из рабочей камеры РК, в которую входят: корпус тепловой трубы 1, покрытый изнутри фитилем 2, покрытым, в свою очередь, втулкой 3, установленной с некоторым зазором относительно верхней 4 и нижней 5 торцевых стенок корпуса 1, внутри которого по ходу движения пара расположены: испарительная секция 6, внутренняя поверхность торцевой стенки 4 которой покрыта полосами капиллярного материала 7, соединенными с фитилем 2; перегородка 8 с центральным впускным отверстием 9; конденсационная секция 10, внутри которой к центру нижней торцевой стенки 5 прикреплен шток 11 с клапаном 12 для закрытия и открытия впускного отверстия 9, причем часть наружной поверхности корпуса 1, образующая конденсационную секцию 10, покрыта снаружи сильфоном 13, жестко прикрепленным к нему своей верхней кромкой, края нижней торцевой стенки 5 соединены с кромкой внутреннего борта кольцевого резервуара 14, кромка внешнего борта которого, в свою очередь, жестко соединена с нижней кромкой сильфона 13, а внешний борт покрыт упругим кольцевым нагнетательным клапаном 15, полость между сильфоном 13 и корпусом 1 образует камеру охлаждения ОК, которая сообщается с паровым пространством конденсационной секции 10 через патрубки 16, проходящие через отверстия во втулке 3, фитиле 2 и корпусе 1, и насосной камеры РК, которая образована полостью между нижней частью наружной поверхности корпуса тепловой трубы 1, относящейся к конденсационной секции 10, наружной поверхностью сильфона 13, кольцевого резервуара 14 и нижнего торца 5 и вертикальным цилиндрическим корпусом 17 с коническим днищем, по внутреннему периметру которого устроен кольцевой буртик 18, служащий седловиной для клапана 15, снабженным нагнетательным патрубком 19 и всасывающим отверстием 20, в котором помещен всасывающий клапан 21 и ограничитель 22.
Предлагаемый ТТН работает следующим образом.
Предварительно перед началом работы из секций 6 и 10 ТТН удаляют воздух и закачивают рабочую жидкость, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости на фиг.1 не показаны) в количестве, достаточном для заполнения объема пор фитиля 2 и кольцевого резервуара рабочей жидкости 14, после чего корпус 1 ТТН устанавливают вертикально таким образом, чтобы испарительная секция контактировала с горячей средой, конденсационная секция 10 была погружена в перекачиваемую жидкость, выполняющую одновременно роль холодной среды, а кольцевой резервуар рабочей жидкости 14 располагался горизонтально. При этом в холодном состоянии клапан 12 плотно закрывает впускное отверстие 9. В результате нагрева торца 4 происходит испарение рабочей жидкости в канавках между полосами пористого материала 7, который предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности торца и таким образом интенсифицирует процесс испарения, образуется пар, создается давление в испарительной секции, которое, воздействуя на поверхность клапана 12, жестко связанного через шток 11 и торцевую стенку 5 с упругим сильфоном 13, перемещает его вниз, в результате чего открывается впускное отверстие 9 и полученный пар поступает в конденсационную секцию 10, а оттуда через патрубки 17 в полость между корпусом 1 и сильфоном 13, давление в которых уравнивается с давлением в испарительной секции, конденсируется там за счет контакта наружной поверхности торцевой стенки 5 и сильфона 13 с перекачиваемой жидкостью (холодной средой), в результате чего давление в камере 10 падает, сильфон 13 сжимается и клапан 12 перекрывает впускное отверстие 9, после чего в испарительной секции 6 снова начинает повышаться давление. В то же время образовавшийся конденсат за счет сил тяжести стекает в кольцевой резервуар 14, откуда всасывается порами фитиля 2 и под воздействием капиллярных сил адиабатно рабочая жидкость поднимается к верхней торцевой стенке 4, где поглощается полосами пористого материала 7, испаряется на поверхность канавок между ними, и цикл повторяется. При этом глубина погружения фитиля 2 в конденсат в кольцевой камере 14 должна обеспечивать бесперебойную подачу рабочей жидкости в испарительную камеру 6 в интервале длины хода сильфона 13, а ширина зазора между торцевыми стенками 4, 5 и кромками втулки 3, максимальный расход рабочей жидкости, поступающей в испарительную камеру 6, и конденсата, отводимого из камеры 10.
Параллельно перемещению сильфона 13 вверх кольцевой нагнетательный клапан 15 прижимается к кольцевому буртику 18, в насосной камере РК создается разрежение, открывается всасывающий клапан 21 и жидкость из водоема поступает в насосную камеру РК, а при движении сильфона 13 вниз (при открытии клапана 12) закрывается всасывающий клапан 21, в камере НК поднимается давление, открывается клапан 15, жидкость поступает через патрубок 19 потребителю, попутно охлаждая наружную поверхность сильфона 13 в камере охлаждения ОК, после чего насосный цикл в камере НК повторяется в соответствии с рабочим циклом в камере РК.
Таким образом, предлагаемый ТТН обеспечивает надежное и эффективное перемещение жидкостей за счет утилизации вторичных тепловых энергоресурсов различного потенциала (энергии сбросных вод, отходящих газов и т.д.) и тепловых ресурсов природных источников (энергии солнца, воды и т.д.) с использованием высокой эффективности теплопередачи тепловой трубы.