УСТРОЙСТВО (НАГРЕВАТЕЛЬ) ДЛЯ ПЕРЕНОСА ТЕПЛА ОТ ОДНИХ МАТЕРИАЛЬНЫХ ТЕЛ К ДРУГИМ

Изобретение относится к области теплотехники, в устройствах которой производится нагрев (повышение температуры) материальных тел посредством переноса тепловой энергии от других материальных тел. В технике известно, что нагрев ( повышение температуры) материального тела (вещества) может быть осуществлен посредством отбора тепловой энергии от тела, имеющего более высокую температуру.
Предлагаемое изобретение относится к области устройств теплотехники, основанных на известном в физике газов эффекте Джоуля-Томсона [1], [2].
Как известно, этот эффект состоит в следующем: если теплоизолированный газ переходит от высшего давления к низшему, то происходящее при этом расширение сопровождается изменением температуры газа. При высоких температурах расширяющийся газ нагревается, при низких температурах расширяющийся газ охлаждается. Температура, пограничная между той и другой областью, называется температурой инверсии. Получаемое путем расширения газа падение температуры может быть весьма существенным. При этом эффект может быть использован как для снижения, так и для повышения температуры материальных тел.
В известных устройствах теплотехники, основанных на эффекте Джоуля-Томсона, рабочее тело (газ) предварительно сжимается до давлений от нескольких атмосфер (например, в турбодетандерах) и до двухсот атмосфер (в поршневых детандерах) [3], [4]. Для обеспечения снижения температуры до желаемого уровня, вплоть до температуры сжижения и затвердевания газов, в упомянутых устройствах предусматривается
достаточное число ступеней, что позволяет процесс охлаждения повторять многократно [4]. Для сжатия рабочего тела газа используются компрессорные установки.
Предлагаемое изобретение отличается тем, что процесс сжатия и расширения рабочего тела (газа) осуществляется без использования компрессоров. Для этих целей канал, по которому циркулирует газ, имеет переменное поперечное сечение. Устройство такого канала характеризуется тем, что по длине канала предусматривается, например, один зауженный участок, площадь поперечного сечения которого меньше, преимущественно значительно меньше, площади поперечного сечения остальной части канала. Канал с наличием одного зауженного участка малого поперечного сечения широко используется в технике и известен как трубка Вентури [1]. Движение среды жидкости или газа по трубе с переменным сечением описывается уравнением Бернулли [1].
Для описания движения газа по трубе с переменным сечением используется термодинамическое обобщение уравнения Бернулли [2]:
где
i - теплосодержание газового потока,
- кинетическая энергия газового потока,
ω - скорость течения газового потока,
g - ускорение силы земного тяготения,
u- - удельная внутренняя энергия газа,
p - давление газа, ϑ - удельный объем газа.
В уравнении (1) энергетические параметры газового потока приведены для одного кг массы. Из уравнения (1) следует, что сумма теплосодержания и кинетическая энергия газового потока при стационарном адиабатном течении, без производства работы, одинакова для всех сечений потока. В зауженных сечениях канала, где скорость газа увеличивается, увеличивается
также и кинетическая энергия потока, а согласно уравнению (1), плотность, давление и температура газа уменьшаются. При адиабатном течении с расширением газа прирост кинетической энергии ведет к убытку теплосодержания (падению температуры) [1]:
где
ср - теплоемкость газа при постоянном давлении,
Т - температура в объеме газа.
1
2
В уравнениях (1) и (2) параметры газового потока соответствуют двум участкам канала, различным по площади поперечного сечения (S и S).
Из уравнения (2) следует, что для снижения температуры газа в зауженном сечении канала необходимо выполнение условия:
Как показано в [2], существенное снижение температуры газа начинается при условии, что скорость течения газа в зауженной части канала в 50 раз больше, чем скорость течения газа в обычном сечении канала.
Как следует из вышеизложенного, в потоке газа, распространяющегося по каналу типа трубки Вентури, происходит изменение параметров газа: в зауженной части канала (в горловине трубки Вентури) скорость и кинетическая энергия возрастают, а давление, плотность и температура уменьшаются. При переходе потока газа в участок канала с увеличенным поперечным сечением происходит обратный процесс изменения параметров газа.
Эффект уменьшения температуры в зауженном участке канала может быть использован для отбора тепла от среды, окружающей упомянутый участок канала и соприкасающейся со стенками канала, при условии, что
температура окружающей среды выше температуры газа в зауженном участке канала, а стенки этого участка канала изготовлены из материала хорошей теплопроводности, а также приняты и другие известные меры для увеличения теплопередачи от среды к газу. Процесс теплопередачи будет происходить непрерывно, если обеспечить постоянную циркуляцию газа по каналу. Процесс передачи тепла прекратится после выравнивания температур газа, циркулирующего в зауженной части канала, и среды, соприкасающейся со стенками канала и используемой в качестве источника тепла. Для достижения желательного уровня повышения температуры нагреваемой среды может быть предусмотрено необходимое число связанных между собой ступеней устройства. Для принудительного перемещения рабочего тела (газа) по каналу устройства (нагревателя) предусматривается движитель (например, лопастный насос), приводимый в действие двигателем, который работает от источника энергии, например электромотор, работающий от источника электропитания. Стенки внутренней полости канала нагревателя обрабатываются так, чтобы сопротивление трения при движении газа было минимальным. Учитывая также тот факт, что газы имеют малый коэффициент вязкости, то суммарное сопротивление движению газа по каналу нагревателя будет также незначительным [1]. На этом основании можно показать, что уровень энергетических затрат в предлагаемом устройстве нагревателя будет достаточно низким.
На фигуре 1 представлен схематический рисунок, иллюстрирующий разрез конструкции и схему работы трехступенчатого нагревателя. На фиг.1 показаны 1 - камера с каналом и рабочим телом первой ступени нагревателя; 2 - камера с каналом и рабочим телом второй ступени нагревателя; 3 - камера с каналом и рабочим телом третьей ступени нагревателя; 4 - область с рабочим телом (с исходным газом-теплоносителем, например, с воздухом в открытой области); 5 - зауженные участки каналов циркуляции рабочего тела (1-3 ступеней), изготовленные из материала хорошей теплопроводности; 6 - движители (например, лопастные насосы), обеспечивающие циркуляцию
рабочего тела в каналах ступеней нагревателя; 7 - двигатели (например, электромоторы), приводящие в действие движители; 8 - источник питания электромоторов; 9 - электропроводка от источника электропитания к двигателям. Стенки камер всех ступеней изготовлены из теплоизоляционного материала (показаны двойными линиями). Зауженные участки каналов имеют тепловой контакт с рабочим телом, омывающим их: зауженный участок канала ступени 1 омывается рабочим телом открытой области 4; зауженный участок канала ступени 2 омывается рабочим телом ступени 1; зауженный участок ступени 3 омывается рабочим телом ступени 2. Направление циркуляции рабочего тела при смывании зауженных участков каналов показано стрелками. Устройство (нагреватель) работает следующим образом. После включения двигателей и начала работы движителей, во всех ступенях нагревателей рабочее тело (газ) начинает циркулировать по каналам ступеней. Направление циркуляции газа по каналам и в камерах ступеней показано сплошными стрелками. Температура рабочего тела (газа) при распространении по зауженной части канала первой ступени снижается по сравнению с температурой газа на входе канала. Однако, через хорошо теплопроводящие стенки зауженной части канала первой ступени, тепло от открытой газовой среды (воздуха) передается к газовой среде, распространяющейся в зауженной части канала первой ступени. При циркуляции рабочего тела в канале и в камере ступени повышается температура всего объема газа, находящегося в камере первой ступени. Таким путем происходит передача тепла от воздуха в открытом объеме рабочему телу (газу), находящемуся в камере первой ступени. При этом температура воздуха в открытой области должна быть выше или равна температуре газа в камере первой ступени. Подобным же образом происходит повышение температуры газа, циркулирующего в канале и объеме камеры второй и третьей ступеней нагревателя. Поскольку циркуляция газа - рабочего тела происходит непрерывно, то в результате происходит постепенный отбор тепла от рабочего тела (воздуха) в открытой
области и передача его для повышения температуры рабочего тела в камерах ступеней. Наивысшая температура газа будет иметь место в камере последней ступени. Уровень повышения температуры определяется числом ступеней нагревателя. Чем больше число ступеней нагревателя, тем больше уровень повышения температуры, при неизменной температуре исходного теплоносителя (например, воздуха в открытой области). Если область воздуха имеет ограниченный объем и отсутствует приток тепла в эту область извне, то достигаемая температура газа в выходной ступени нагревателя также ограничена. Если же область исходного теплоносителя имеет неограниченный объем или же имеет место приток тепла в эту область извне, то, принципиально, температура газа в выходной ступени нагревателя может расти также неограниченно. По условию, тепло от газа выходной ступени нагревателя будет передаваться телам и материальным средам, предназначенным для нагрева. Поэтому при постоянном отборе тепла от последней ступени нагревателя температура газа в выходной ступени будет поддерживаться на определенном уровне, и при этом передача тепла от исходного теплоносителя через ступени нагревателя к нагреваемым средам будет происходить непрерывно. Другими словами представляется возможным посредством заявляемого устройства отбирать тепловую энергию от объемов газов или других веществ, имеющих достаточно высокую теплопроводность.
Заявляемое устройство может быть использовано в технике нагрева материальных тел. Его преимуществами являются относительная простота изготовления и эксплуатации, а также малые энергетические затраты при функционировании, а главное, возможность нагрева тел и веществ до высоких температур при относительно низких температурах исходного источника тепла, такого как, например, воздуха в земных условиях.
Литература
1. Физическая энциклопедия. Гл. редактор A.M.Прохоров. Москва, Сов. Энциклопедия, 1990г.
2. К.А.Путилов, Курс физики т.1, Москва, Госиздат, 1957г.
3. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под ред. М.П.Малкова, Москва, 1985г.
4. Е.Я.Соколов, В.М.Бродянский, Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. Москва, Энергоиздат, 1981г.
5. Фрадков А.Б., Что такое криогеника, 1991г.