ТЕПЛОТРУБНЫЙ НАСОС
HEAT-TUBE 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, закрепленные одним концом на корпусе, а другим к подвижной стенке, всасывающий и нагнетательный патрубки и клапаны, змеевиковые теплообменники для охлаждения легкокипящей жидкости и балластные грузы [А.с. СССР №1665075, Мкл. F04В 19/24, 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 (насоса), сильфон с подвижной нижней стенкой и размещенные в рабочей камере, частично заполненной легкокипящей жидкостью, испаритель (испарительную камеру) и конденсатор (конденсационную камеру) со стенками из капиллярнопористого материала (фитиля), соединенными между собой при помощи паронепроницаемой перегородки с образованием камеры (резервуара) для сбора конденсата [А.с. №1229422, Мкл. F04В 19/24, 1983].
Недостатками известного насоса с тепловым приводом являются низкая скорость испарения и конденсации в теплообменных поверхностях испарителя и конденсатора, полностью покрытых капиллярнопористым 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.
Задача, решаемая изобретением, - повышение надежности и эффективности теплотрубного насоса.
Технический результат достигается тем, что теплотрубный насос включает в себя помещенные в одном корпусе испарительную, рабочую и конденсационную камеры, покрытые изнутри фитилем и частично заполненные легкокипящей жидкостью, перегородку, насос, резервуар для сбора конденсата, причем согласно изобретению верхняя торцевая стенка испарительной камеры покрыта полосами пористого материала, внутри испарительной камеры устроен перфорированный сепарационный щит и напорный трубопровод с форсункой, внутри рабочей камеры по центру проходит вал, на котором сверху вниз помещены питательный насос, соединенный с напорным трубопроводом, корпус которого находится в цилиндрическом резервуаре, бортовые перфорированные стенки соприкасаются с фитилем, колесо силовой турбины, помещенной в корпус турбины, соединенный с испарительной камерой паровым соплом, а патрубком мятого пара с конденсационной камерой, по продольной центральной оси которой и центру нижней торцевой стенки также проходит вал, снабженный внутри конденсационной камеры пропеллером, размещенный с зазором относительно внутренней поверхности нижней торцевой стенки и соединенный снаружи с рабочим колесом насоса, помещенным в корпус насоса, примыкающий к наружной поверхности нижней торцевой стенки, снабженный всасывающим отверстием и напорным патрубком.
В основе работы предлагаемого теплотрубного насоса лежит основной цикл паросиловой установки - цикл Ренкина, согласно которому положительная работа расширения пара в турбине значительно превышает отрицательную работу насоса по сжатию конденсата [И.Н.Сушкин. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973, с.117], и высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, обусловлена высокими значениями коэффициента теплопередачи в процессах испарения и конденсации [А.Н.Плановский, П.И.Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1987, с.146], которые делятся на три участка: зона испарения (подвода теплоты), адиабатная зона (переноса теплоты) и зона конденсации (отвода теплоты), покрытых изнутри фитилем и частично заполненных рабочей жидкостью - переносчиком теплоты, в качестве которой используются вода, спирты, хладоны, жидкие металлы т.д. [В.В.Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Высш. школа, 1988, с.106].
На фиг.1 представлен общий вид, на фиг.2, 3 - поперечные разрезы предлагаемого теплотрубного насоса.
Теплотрубный насос состоит из корпуса 1, покрытого изнутри фитилем 2, с верхней 3 и нижней 4 торцевыми стенками, внутри которого по ходу движения пара расположены: испарительная камера 5, внутренняя поверхность торцевой стенки 3 которой покрыта полосами капиллярного материала 6, соединенных с фитилем 2, в которой расположены напорный трубопровод 7 с форсункой 8 и сепарационный щит 9, отделенная от испарительной камеры 5 перегородкой 10, рабочая камера 11, внутри которой по центру сверху вниз на валу 12 помещены питательный насос 13, соединенный с напорным трубопроводом 7, корпус которого находится в цилиндрическом резервуаре 14, бортовые перфорированные стенки которого соприкасаются с фитилем 2, колесо силовой турбины 15, помещенной в корпус 16, соединенный с испарительной камерой 5 паровым соплом 17, прикрытым сепарационным щитом 9, а патрубком мятого пара 18 с конденсационной камерой 19, по продольной оси которой и центру нижней торцевой стенки 4 также проходит вал 12, снабженный пропеллером 20, размещенный с некоторым зазором относительно внутренней поверхности нижней торцевой стенки 4 и соединенный снаружи с рабочим колесом 21, помещенным в корпус 22, примыкающий к наружной поверхности нижней торцевой стенки 4, снабженный всасывающим отверстием 23 и напорным патрубком 24.
Предлагаемый теплотрубный насос работает следующим образом.
Предварительно перед началом работы из камер 5, 11 и 19 теплотрубного насоса 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, 2, 3 не показаны), в количестве, достаточном для заполнения объема пор фитиля 2 и цилиндрического резервуара рабочей жидкости 14, после чего корпус 1 устанавливают вертикально таким образом, чтобы испарительная камера 2 контактировала с горячей средой, а конденсационная камера 10 была погружена в резервуар (бассейн) с перекачиваемой жидкостью. В результате нагрева торца 3 происходит испарение рабочей жидкости в канавках между полосами пористого материала 6, который предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности торца и, таким образом, интенсифицирует процесс испарения [Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. тр. - М., 1990, с.22], образуется пар, создается давление в испарительной камере 5, полученный пар, проходя через перфорированный сепарационный щит 9, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости, которая отбрасывается на поверхность фитиля 2 и транспортируется им обратно в зону испарения, через паровое сопло 17 поступает на лопатки колеса силовой турбины 15, вращая его совместно с валом 12, который сообщает вращательное движение ротору питательного насоса 13, пропеллеру 20 и вращение рабочего колеса 21 теплотрубного насоса на выходном конце вала 12, в результате чего в корпусе турбины 16 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижением его температуры и давления, после чего отработавший пар через патрубок мятого пара 18 попадает в конденсационную камеру 19, где давление пара уменьшается еще в результате его дальнейшего расширения, и он конденсируется за счет контакта наружной поверхности нижней торцевой стенки 4 с холодной средой. При этом за счет вращения пропеллера 20, закручивающего и направляющего поток пара на внутреннюю поверхность нижней торцевой стенки 4, во вращающемся потоке пара возникает центробежная сила, которая срывает образовавшийся конденсат с поверхности торцевой стенки 4, препятствуя образованию там жидкостной пленки, и отбрасывает его на фитиль 2, в результате чего происходит резкое увеличение скорости теплопередачи между паром и стенкой 4 и, соответственно, скорость конденсации также многократно увеличивается. Образовавшийся конденсат всасывается фитилем 2, откуда под воздействием капиллярных сил и разрежения, создаваемого насосом 13, адиабатно транспортируется в цилиндрический резервуар рабочей жидкости 14, откуда питательным насосом 13 через напорный трубопровод 7 и форсунку 9 под давлением, величина которого определяется рабочим давлением пара в испарительной камере 5, рабочая жидкость разбрызгивается по внутренней поверхности верхней торцевой стенки 3, испаряется с поверхности канавок 6 и в соответствии с вышеописанным процессом цикл повторяется. Одновременно вращение рабочего колеса 21 создает внутри в центре корпуса 22 разрежение и через всасывающее отверстие 23 из резервуара поступает перекачиваемая жидкость, приобретает вращательное движение, в результате чего на нее действует центробежная сила и она под давлением через нагнетательный патрубок 24 подается потребителю. В то же время внутри корпуса 22 жидкость омывает с большой скоростью наружную поверхность нижней торцевой стенки 4, в результате чего многократно увеличивается скорость теплообмена между стенкой 4 и жидкостью и, соответственно, отвода тепла конденсации через нее.
Таким образом, предлагаемый теплотрубный насос 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.