Спосіб теплопередачі та пристрій для його здійснення

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в энергетике, строительстве, горной промышленности и других отраслях. Известно устройство и способ для направления теплоты вниз [1], состоящее из двух металлических емкостей, соединенных трубопроводом, одна из емкостей частично заполнена жидкой двухокисью серы, емкости снабжены листовыми металлическими пластинами, одна из этих пластин зачернена для лучшего поглощения тепла солнечных лучей. При нагревании верхней емкости двуокись серы испаряется и движется вниз в виде парообразной фазы в нижнюю емкость и конденсируется в ней, при этом некоторая масса инертного газа сжимается в нижней емкости. Затем, когда давление инертного газа достигнет некоторого критического уровня, конденсат выталкивается в верхнюю емкость. Недостатком является ограниченность высоты передачи теплоты, непрактичность теплоносителя ввиду его токсичности. Известно теплопередающее устройство [2], выбранное в качестве прототипа, включающее опускную и подъемную ветви с одним обратным клапаном, нагреватель, расположенный в верхней части опускной ветви, и холодильник, размещенный в нижней части контура. В данном устройстве в качестве теплоносителя используется метанол. Возвращение жидкости достигается посредством действия энергии аккумулятора, в котором инертный газ периодически сжимается при конденсации пара, а затем выталкивает этот конденсат к вышерасположенному испарителю, Лабораторная установка поднимала конденсат на высоту 1,7м при разнице температур 7 ... 24°C. Недостатком является малая глубина передачи тепла, поскольку опускная ветвь заполнена паром, который имеет значительно меньшую плотность и не уравновешивает вес столба поднимаемого конденсата. В основу изобретения поставлена задача создания способа теплопередачи, при котором путем формирования давления газообразной фазы на зеркало теплоносителя обеспечивается однонаправленная прокачка жидкого теплоносителя в циркуляционном контуре большой глубины навстречу направлению естественной циркуляции. В основу изобретения также поставлена задача создания устройства, работающего по заявляемому способу, в котором путем введения гидрозатвора обеспечивается однонаправленная прокачка жидкого теплоносителя в циркуляционном контуре большой глубины навстречу направлению естественной циркуляции, преодоление гидравлической разности уровней теплоносителя и за счет этого - цикличность и автономность работы устройства, а также достигается большая глубина передачи тепла. Поставленная задача решается тем, что в способе теплопередачи, включающем циркуляцию жидкого теплоносителя в контуре, испарение теплоносителя и его конденсацию, согласно изобретению, циркуляцию осуществляют в две стадии, при этом в первой стадии формируют рабочее давление паров теплоносителя на его зеркало в опускной и подъемной ветвях циркуляционного контура и одновременно осуществляют перепуск теплоносителя через нижнюю часть контура путем снижения уровня в опускной ветви и повышения о подъемной, причем рабочую разницу уровней теплоносителя в ветвях контура выбирают из условия а во второй стадии производят перепуск паров теплоносителя через верхнюю часть контура, выравнивают давление паров теплоносителя в обеих ветвях контура и возвращают теплоноситель из верхней части подъемной ветви в верхнюю часть опускной ветви, при этом предельно допустимое значение глубины циркуляции определяют по формуле где давление насыщения паров теплоносителя, Па, температура в опускной ветви циркуляционного контура, °C, - температура в подъемной ветви циркуляционного контура, °C, - плотность теплоносителя, кг/м 3, - ускорение силы тяжести, м/с2. Поставленная задача решается тем, что теплопередающее устройство в виде циркуляционного контура, включающего опускную и подъемную ветви с обратным клапаном, нагреватель, расположенный в верхней части опускной ветви, и холодильник, размещенный в нижней части контура, согласно изобретению дополнительно содержит соединительный канал со вторым обратным клапаном и гидрозатвор с сифоном, при этом входное отверстие соединительного канала расположено выше выходного, а выходное - не ниже нагревателя, гидрозатвор выполнен в виде чашки с трубкой, размещенных в опускной ветви на уровне входного, отверстия соединительного канала, а трубка соединена с верхней частью подъемной ветви, при этом колено сифона гидрозатвора установлено на кромке чашки, а рабочий объем чашки равен: где гидрозатвора; свободное сечение трубки - рабочая разница уровней. Степень заполнения устройства теплоносителем, необходимая для осуществления нормальной работы, такова, что при открытом гидрозавторе жидкий теплоноситель заполняет опускную и подъемную ветви до уровня нижнего края входного отверстия соединительного канала. Давление жидкости в замкнутом контуре P складывается из давления газообразной фазы и давления столба жидкости высотой причем условие равенства, этих давлений для -образного сосуда, каким является контур, имеет вид: где индексы 1 и 2 - соответственно опускная, и подъемная ветви циркуляционного контура. Допустим, что при наличии газообразной фазы в верхней части циркуляционного контура давление газа одинаково над поверхностью теплоносителя в обеих ветвях, при этом уравнение гидростатического равновесия имеет вид: а разность уровней теплоносителя в ветвях контура составит: или будет увеличиваться как при увеличении разности температур, так и при увеличении общей глубины контура. При увеличении температуры от 4 до 100°C относительная величина изменения плотности и при составляет от 0,03 до 0,072%. С увеличением разности температур в ветвя х контура эти показатели увеличиваются примерно пропорционально Благодаря этой разности плотностей, и происходит естественная конвекция, при которой теплота переносится снизу вверх. Для передачи тепла сверху вниз необходимо преодолеть разность уровней и дополнительно повысить уровень теплоносителя в подъемной ветви для последующей подачи охлажденного теплоносителя самотеком в зону нагрева. Этого можно добиться за счет разности давления газообразной фазы, если температура теплоносителя в разных ветвях контура будет различной. При установлении термодинамического равновесия газообразной и жидкой фаз давления пара в ветвях окажутся различными. В опускной ветви над поверхностью теплоносителя давление будет выше, поскольку там выше температура. Высота, на которую может быть поднят холодный теплоноситель за счет разности давлений газообразной фазы определяется следующим образом Результирующее превышение уровня холодного теплоносителя над нагретым обозначим Оно составит: где и определяются по вышеприведенным формулам. Отсюда следует, что слив самотеком, можно организовать только при условии Например, рассмотрим такой удобный, безопасный и энергоемкий теплоноситель как вода. В частности, при температуре опускной ветви 50°C и подъемной ветви 40°C давление насыщения водяных паров составляет соответственно 12339 и 7377Па. Разность этих давлений может обеспечить подъем холодного теплоносителя на высоту При общей высоте теплопереноса равной 10м составит всего 0,041м. Следовательно в запасе на преодоление гидравлического сопротивления остается рабочий перепад давлений, который составляет 0,471м. С увеличением глубины циркуляционного контура увеличивается, поэтому существует максимальная глубина, при которой Для рассмотренного примера составит 123,4м. Расчетные возможности воды как теплоносителя при рассматриваемом способе передачи теплоты сверху вниз сведены в таблицу. Таким образом, обеспечивается достижение технического результата, т.е. осуществляется однонаправленная прокачка жидкого теплоносителя в циркуляционном контуре большой глубины навстречу направлению естественной циркуляции. На чертеже (фиг.) приведена схема теплопередающего устройства, работающего по заявляемому способу. Устройство содержит опускную 1 и подъемную 2 ветви, составляющие циркуляционный контур, соединительный канал 3, соединяющий опускную и подъемную ветви, нагреватель 4, холодильник 5, обратный клапан 6, расположенный в опускной или подъемной ветви циркуляционного контура, второй обратный клапан 7, расположенный в соединительном канале, чашку 8 и трубку 9, составляющие гидрозатвор, сифон 10, входное отверстие 11 соединительного канала 3 расположено в подъемной ветви 2 выше кромки чашки 13, а выходное - в опускной ветви 1. Устройство, реализующее заявляемый способ, работает следующим образом. В начальном состоянии опускная ветвь 1 контура заполнена нагретым теплоносителем, подъемная ветвь 2 - холодным, при этом гидрозатвор закрыт, а уровень теплоносителя в обеих ветвя х контура и ча шке 8 - одинаков. В начальный момент температура и давление паров теплоносителя о обеих ветвях равны между собой и имеют промежуточные значения: промежуточную температуру и промежуточное давление чашка 8 гидрозатвора заполнена, а столб жидкости в трубке 9 гидрозатвора, уравновешивает разницу гидравлических давлений При этом теплоноситель в верхних частях обеих ветвей (в зоне нагревателя 4 опускной ветви 1 и в зоне входного отверстия 11 соединительного канала 3 в подъемной ветви 2) имеет так называемую "температуру перетока" более низкую, чем в нижерасположенной части опускной ветви и более высокую, чем в нижерасположенной части подъемной ветви Нагревателем 4 нагревают теплоноситель до температуры при этом давление паров в опускной ветви 1 увеличивается от до В тоже время пары в подъемной ветви 2, контактируя с холодным теплоносителем, частично конденсируются, снижают свою температуру от до одновременно верхний слои теплоносителя повышают свою температуру о т до При этом давление в верхней части подъемной ветви понижается от до Из-за повышения давления газообразной фазы в опускной ветви от до и от понижения давления газообразной фазы в подъемной ветви от до жидкий теплоноситель выдавливается из опускной ветви 1 в подъемную ветвь 2 через нижнюю часть циркуляционного контура. В нижней части контура он охлаждается и поднимается по подъемной ветви 2 уже охлажденным до температуры Так происходит первая стадия работы устройства. При опускании уровня теплоносителя в опускной ветви 1 ниже кромки 13 чашки 8 гидрозатвора последняя под действием избыточного давления начинает опорожняться через сифон 10 и трубку 9 гидрозатвора до момента понижения уровня в чашке 8 ниже трубки 9, при котором вслед за жидкостью по трубке 9 пойдет пар, благодаря чему паровые пространства ветвей 1 и 2 соединяются. Давление пара выравнивается: в опускной ветви 1 снижается от в подъемной ветви 2 повышается от до а до Избыток теплоносителя из подъемной ветви по соединительному каналу 3 переливается в верхнюю часть опускной ветви 1 и уровня теплоносителя в опускной и подъемной 2 ветвях сравняются. Жидкость, достигнув колена сифона 10, заполнит чашку 8 и частично тр убку 9 гидрозатвора и таким образом, устройство возвратится в состояние, которое было исходным для первой стадии его работы. Таким образом, обеспечивается автономность работы устройства при большой глубине циркуляции, а также возможность использования такого безопасного, дешевого и эффективного теплоносителя как вода.