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 10 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 взрывоопасной 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 взрывоопасной 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 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.
В решении US 4,745,906 предложено устройство для пассивного теплообмена между источником тепла и конденсатором (6) с помощью испаряющейся жидкости и использования цикла с двумя фазами, управляемыми клапаном-поплавком (2, 4, 11). Это устройство содержит котел (1), нагреваемый указанным источником и емкость для жидкости (9), оборудование бойлера в течение первой фазы цикла, подает пар к конденсатору, после которого жидкость направляется в резервуар с жидкостью, и получение в течение второго цикла жидкости из указанного резервуара. Согласно этому решению сепаратор (3) расположен между бойлером и конденсатором, а поплавковый клапан (2, 4, 11) расположен внутри этого сепаратора и обеспечивает во время первой фазы цикла связь парового пространства сепаратором с паровым пространством бойлера (1), а во время фазы второго цикла паровое пространство сепаратора (3) с паровым пространством резервуара (9), и прекращает эти связи во время соответствующих фаз обратного цикла.
Вышеуказанное решение также имеет ряд недостатков и ограничений в использовании.
В частности, такая система также действует циклически, соответственно имеют место перерывы в работе системы.
Более того, когда уровень жидкости в сепараторе 3 достигнет нижнее заданное значение, и поплавок-клапан 2 в трубопроводе 16 закроется, а клапан 11 в трубе откроется, то давление в сепараторе 3 будет стремиться выровняется с давлением в емкости 9, и жидкость из емкости 9 будет стремиться возвратиться обратно в сепаратор 3 через трубу 12 и клапан 13. Однако паровая фаза, поступающая из сепаратора 3, при открытии клапана-поплавка 2 также будет конденсироваться на стенках емкости 9 и поверхности сконденсированной жидкости в емкости 9, что приведет к замедлению выравнивания давления и замедлению слива жидкости из емкости 9, что также увеличит продолжительность каждого цикла и перерывы в передаче тепла.
Более того, вышеуказанные известные из уровня техники решения имеют недостатки, связанные с использованием этих систем при низких температурах в условиях Крайнего Севера, приводящих к замерзанию текучих сред в емкостях.
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) испарителя соединена с накопительной емкостью посредством обратного трубопровода (6), с использованием запорного устройства, обеспечивающего возможность добавления текучей среды из емкости испарителя.
На фиг. 2 представлен вариант осуществления устройства теплопередачи, в котором одна или более емкость (1) испарителя соединена с накопительной емкостью посредством обратного трубопровода (6), представляющего собой комбинированный трубопровод, в котором паровая фаза и жидкая фаза поступают по раздельным трубопроводам.
На фиг. 3 представлен вариант осуществления устройства теплопередачи, в котором предусмотрена емкость конденсатора, достаточная для накопления дополнительных объемов второго компонента многокомпонентной первой текучей среды и сконденсированной жидкой фазы текучей среды, образующихся во время перетекания жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды из накопительной емкости в емкость испарителя.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с заявленным изобретением предложен способ теплопередачи и устройство, реализующее заявленный способ. Устройство теплопередачи, представленное на фиг. 1, содержит одну или более емкость (1) испарителя, к которой подводится тепло, посредством источника тепла, причем емкость (1) заполнена многокомпонентной первой текучей средой, находящейся в жидкой фазе, причем первый компонент многокомпонентной первой текучей среды переходит в парообразную фазу при температуре меньшей, чем температура перехода в парообразную фазу второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, или второй компонент представляет собой не кипящую текучую среду.
В качестве первого компонента текучей среды, находящейся в жидкой фазе используют воду, спирт, эфиры, фреоны, ацетон или их смеси.
В качестве второго компонента первой текучей среды, находящейся в жидкой фазе, имеющих высокую температуру перехода в парообразную фазу, по сравнению с первым компонентом, используют этиленгликоль, диэтиленглиголь, триэтиленгликоль, глицерин, либо масла или растворы солей.
Емкость (1) испарителя соединена с конденсатором (3) трубопроводом (2), конденсатор (3) соединен с накопительной емкостью (5) трубопроводом (4), которые заполнены второй текучей средой, находящейся в газообразной фазе.
В качестве второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе, используют воздух, углекислый газ, азот, гелий, водород.
В качестве емкости (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.
После заполнения емкости испарителя многокомпонентной первой текучей средой в жидкой фазе и заполнения трубопровода (2), конденсатора (3), трубопровода (4) и накопительной емкости (5) второй 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) испарителя происходит испарение первого компонента первой текучей среды, находящейся в жидкой фазе, и переход жидкой фазы первого компонента текучей среды в парообразную фазу текучей среды. Причем, переход жидкой фазы первого компонента текучей среды в парообразную фазу происходит раньше, чем переход жидкой фазы второго компонента текучей среды в парообразную фазу. При испарении первого компонента жидкой фазы первой текучей среды и повышении давления в емкости испарителя (1) парообразная фаза первого компонента первой текучей среды смешивается с многокомпонентной первой текучей средой в жидкой фазе, находящейся в емкости 1 испарителя, посредством трубопровода 8. Подмешивание осуществляется посредством использования запорного устройства 7', установленного на трубопроводе 2.
Смесь парообразной фазы первого компонента первой текучей среды и жидкой фазы многокомпонентной первой текучей среды и вторая текучая среда в газообразной фазе перемещаются в конденсатор (3) по трубопроводу (2). Трубопровод (2) соединяет емкость (1) испарителя с конденсатором (3) и обеспечивает перемещение по нему смеси первой и второй текучих сред. Длина парового трубопровода составляет от 10 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 1-10 атмосфер и более. Трубопровод (2) может быть реализован посредством нескольких трубопроводов, соединенных между собой каналами для прохождения текучей среды.
Смесь парообразной фазы первого компонента первой многокомпонентной текучей среды, многокомпонентной первой текучей среды и второй текучей среды в газообразной фазе поступает в конденсатор, где она охлаждается до температуры насыщения и отдает тепло приемнику тепловой энергии, после конденсации парообразная фаза первого компонента многокомпонентной первой текучей среды переходит в сконденсированную жидкую фазу первого компонента многокомпонентной первой 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 первого компонента многокомпонентной первой текучей среды, жидкая фаза многокомпонентной первой текучей среды и вторая текучая среда в газообразной фазе поступают в конденсатор и 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 многокомпонентной первой текучей среды и второй текучей среды в газообразной фазе, с повышением давления.
Длина каждого из трубопровода (2), конденсатора (3), трубопровода (4), составляет от 10 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 возвращается 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 м2.
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.
Изменение уровня текучей среды в накопительной емкости можно отслеживать с помощью датчика уровня жидкости или любым другим средством контроля уровня жидкости, известным из уровня техники. Средство контроля уровня жидкости может быть дополнительно выполнено с возможностью управления открытия/закрытия запорного устройства (7), а также с возможностью контроля/отслеживания уровня жидкости в емкости (1) испарителя.
По мере заполнения накопительной емкости сконденсированной жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и жидкой фазы многокомпонентной первой текучей среды давление в накопительной емкости повышается со снижением объема, занимаемого второй текучей средой в газообразной фазе, и повышением давления в конденсаторе и испарительной емкости.
При достижении заданного уровня жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и многокомпонентной первой текучей среды в одной или более накопительной емкости (5) обеспечивают доступ парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя в накопительную емкость (5) по одному или более возвратному трубопроводу (6) с помощью запорного устройства (7). Запорное средство (7) представляет собой одно выбранное из группы, содержащей: клапан, управляемый вручную, клапан, управляемый автоматически, обратный клапан.
Так как давление в испарительной емкости будет выше, чем давление в накопительной емкости, при открытии запорного устройства парообразная фаза первого компонента многокомпонентной первой текучей среды будет перемещаться из емкости испарителя в накопительную емкость для выравнивания давления в емкостях. После выравнивания давления в емкостях жидкая фаза многокомпонентной первой текучей среды будет перетекать из накопительной емкости (5) в емкость испарителя (1).
Во время выравнивания давления в емкостях поступающая в накопительную емкость парообразная фаза первого компонента первой текучей среды будет конденсироваться на поверхности жидкой фазы многокомпонентной текучей среды в накопительной емкости, а также на стенках накопительной емкости, которые имеют температуру ниже, чем температура поступающей в накопительную емкость парообразной фазы первого компонента первой текучей среды из емкости испарителя, что приведет к снижению давления в накопительной емкости и замедлению слива накопленной жидкой фазы многокомпонентной текучей среды в накопительной емкости и не позволит обеспечить необходимую непрерывную подачу теплоты к потребителю теплоты.
Более того, во время открытия доступа парообразной фазы первого компонента первой текучей среды в накопительную емкость с выравниванием давления в накопительной емкости и емкости испарителя, процесс конденсации в конденсаторе будет продолжаться, и сконденсированная жидкость не будет проходить в накопительную емкость и будет накапливаться в конденсаторе, что приведет к сокращению его внутреннего объема и соответственно площади поверхности конденсации, со снижением эффективности теплопередачи. Для преодоления вышеуказанного недостатка необходимо увеличить внутренний объем конденсатора, либо установить дополнительную емкость 3' конденсатора, соединенную с конденсатором, этот вариант предложен на фиг. 3. Причем объем дополнительной емкости должен быть достаточным для вмещения дополнительных объемов второго компонента многокомпонентной первой текучей среды и сконденсированной жидкой фазы текучей среды, образующихся во время перетекания жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды из накопительной емкости (5) в емкость испарителя (1).
Наличие второй текучей среды в газообразной фазе в накопительной емкости будет препятствовать конденсации парообразной фазы на стенках накопительной емкости и на поверхности сконденсированной жидкой фазы многокомпонентной текучей среды в накопительной емкости за счет низкого коэффициента диффузии между газом и паровой фазой текучей среды, что способствует повышению давления в накопительной емкости и ускорению скорости слива жидкой фазы многокомпонентной текучей среды в накопительной емкости в период перемещения парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости испарителя в накопительную емкость для выравнивания давления в емкостях.
Коэффициент диффузии зависит от давления и температуры:
K=k0*P0/P*(Т/Т0)1,5,
где P – давление,
T – температура.
При давлении, равном 1 кг/см2, и температуре 150°С коэффициент диффузии водяной пар-воздух равен 0,26 см2/сек.
При использовании в качестве второй текучей среды в газообразной фазе углекислого газа коэффициент диффузии равен 0,14 см2/сек, т.е. скорость конденсации снижается почти в 2 раза.
Отсутствие газа в накопительной емкости приведет к высокой диффузии, и во время поступления паровой фазы первого компонента первой текучей среды из емкости испарителя значительно увеличит время слива. Во время слива текучей среды из накопительной емкости при отсутствии газа в ней давление в накопительной емкости будет повышаться только после того, как выровняются температуры в накопительной емкости и емкости испарителя. Также поступающая из емкости испарителя парообразная фаза первого компонента первой текучей среды будет интенсивно конденсироваться и не давать сливающейся жидкой текучей среды быстро сливаться.
При конденсации пара выделяется теплота, которая распространяется путем теплопередачи на стенки накопительной емкости и в толщу жидкой текучей среды в накопительной емкости. Стенки накопительной емкости должны иметь минимальную толщину и минимальную аккумулирующую емкость тепловой энергии. Тепловой поток при конденсации пара на поверхности жидкой текучей среды в накопительной емкости через поверхность определяют из следующей зависимости:
k
вн
G=α(t-t),
k
вн
где t- температура конденсации, t - температура внутри объема жидкости, α - коэффициент теплопередачи при конденсации.
Коэффициент α теплопередачи при конденсации зависит от теплопроводности жидкости, находящейся в накопительной емкости. В конкретном случае при добавлении в воду этиленгликоля коэффициент теплопроводности получившейся смеси воды и этиленгликоля будет ниже, чем у воды. У воды λ=0,599 Вт/м*к, у этиленгликоля λ=0,25 Вт/м*к при нормальных условиях. При температуре 100°С у воды λ=0,683 Вт/м*к, у этиленгликоля λ=0,26 Вт/м*к.
Таким образом добавление этиленгликоля снижает интенсивность конденсации и способствует быстрому сливу накопленной жидкой текучей среды из накопительной емкости в емкость испарителя.
Исходя из указанного выше следует, что вторая текучая среда, находящаяся в газообразной фазе, должна быть выбрана с характеристиками, препятствующими конденсации парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды, поступающей из испарительной емкости, на стенках накопительной емкости и на поверхности жидкой фазы жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды в накопительной емкости, в частности необходимо выбирать газ, имеющий наиболее низкий коэффициент диффузии.
При этом, первая текучая среда должна быть выбрана с характеристиками, препятствующими передаче тепловой энергии от парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды, поступающей из испарительной емкости, к жидкой фазе первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды в накопительной емкости, а именно жидкая фаза должна иметь наименьший коэффициент теплопроводности.
Тепловая энергия передается за счет испарения жидкой текучей среды в испарительной емкости и конденсации парообразной фазы жидкой текучей среды в конденсаторе, используя теплоту фазового перехода. Максимальную теплоту испарения из жидкостей имеет вода. Однако ее использование в условиях Крайнего Севера при низких температурах может привести к разрушению конструкционных узлов и трубопроводов при замерзании. Для предотвращения замерзания в воду в испарительной емкости добавляют антифризные добавки (соли, гликоли, глицерин и т.д.) с температурой перехода в парообразную фазу значительно выше, и имеющие теплопроводность ниже, чем у воды.
В конкретном варианте осуществления при кипении воды в емкости испарителя, вода, имеющая более низкую температуру кипения, чем этиленгликоль, имеющий также более низкий коэффициент теплопроводности, будет испаряться, и водяной пар будет поступать по трубопроводу 2 в конденсатор 3. На трубопроводе 2 устанавливают запорное устройство 7', предназначенное для подмешивания смеси воды и этиленгликоля через трубопровод 8 к водяному пару. В этом случае водяной пар будет также содержать этиленгликоль, и под действием повышенного давления в емкости испарителя смесь водяного пара и этиленгликоля будет перемещаться сначала в конденсатор 3 и затем этиленгликоль совместно со сконденсированной водой из конденсатора по трубопроводу 4 будет перемещаться в накопительную емкость 5.
При достижении заданного уровня смеси воды и этиленгликоля в накопительной емкости, средство управления уровнем жидкости открывает доступ водяного пара из емкости испарителя в накопительную емкость по возвратному трубопроводу 6 с помощью запорного устройства (7). Водяной пар поступает в накопительную емкость 5 через возвратный трубопровод 6, и благодаря наличию в накопительной емкости 5 воздуха, имеющего низкий коэффициент диффузии, водяной пар будет с меньшей интенсивностью конденсироваться на стенках накопительной емкости и на поверхности воды.
Тепловой поток, поступающий вместе с водяным паром из емкости испарителя, не будет быстро поглощаться смесью воды и этиленгликоля ввиду низкой теплопроводности смеси.
В одном варианте осуществления на фиг. 2 возвратный трубопровод (6) представляет собой комбинированный трубопровод, содержащий линию 6 жидкой фазы и линию 6' парообразной фазы. В этом случае по линии 6 жидкой фазы сливается смесь воды и этиленгликоля из накопительной емкости в емкость испарителя, а водяной пар поступает по линии 6' парообразной фазы из емкости 1 испарителя в накопительную емкость.
Также использование этиленгликоля, имеющего характеристики антифриза, позволит значительно расширить применение заявленного изобретения в условиях Крайнего Севера с низкими температурами.
Предложенное изобретение позволит обеспечить непрерывный перенос тепла от источника нагрева к удаленно установленному приемнику теплоты, 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 использование предложенной системы только в циклическом режиме, а обеспечивает 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 взрывоопасной окружающей среды, например, на буровой площадке, либо для передачи тепла в подземное пространство.