Спосіб утилізації низькопотенційної теплової енергії та пристрій для його реалізації

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано в системах утилизации теплоты низкопотенциальных потоков газообразных и жидких веществ в качестве теплообменника-регенератора и теплового двигателя. Известен ряд технических решений задач утилизации низкопотенциальной тепловой энергии с помощью вращающи хся регенеративных теплообменников, в которых вращение проницаемой теплоаккумулирующей насадки обеспечивает периодическое перемещение части теплопередающей поверхности из одного потока в другой, сопровождающееся ее нагреванием и охлаждением при косвенной теплопередаче (1-3). Теплообменники подобного типа, несмотря на ряд преимуществ, имеют и недостатки, важнейшим из которых является потребность в дополнительном расходе энергии на вращение массивного ротора. Наиболее близким к данному изобретению техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ утилизации тепловой энергии, осуществляемый с помощью теплового двигателя (4) и включающий создание вращающего момента путем перемещения промежуточного теплоносителя при его обратимых фазовых превращениях (испарение конденсация). Однако и названное техническое решение, несмотря на отсутствие привода и затрат энергии в нем, также не обладает достаточной эффективностью, поскольку, вопервых, для побуждения вращения ротора требует применения охлаждающей воды. получение и подъем которой в специфических условиях применения прототипа влекут за собой дополнительные энергозатраты, во-вторых, при работе прототипа процессы теплообмена при испарении и конденсации происходят с неравной интенсивностью, а изменение термодинамического состояния промежуточного теплоносителя происходит лишь при близком к вертикальному положении каждой пары емкостей, в-третьих, использование прототипа требует существенного повышения давления в нижней емкости и связанных с этим дополнительных энергозатрат, и, наконец, в-четвертых, работа прототипа возможна только при горизонтальной (открытой водной) границе раздела греющей и охлаждающей сред. Задачей изобретения является повышение эффективности утилизации тепловой энергии. \ Поставленная цель решается тем, что в способе утилизации низкопотеициальной тепловой энергии, включающем создание вращающего момента путем перемещения промежуточного теплоносителя при его обратимых фазовых превращениях, согласно изобретению, процессы теплообмена при фазовых превращениях промежуточного теплоносителя проводят при равных температурных напорах между температурой фазового перехода промежуточного теплоносителя и греющей и охлаждающей средами в одинаковых условиях теплообмена. При этом равенство температурных напоров достигается путем подбора температуры фазового перехода промежуточного теплоносителя. Поставленная задача решается также тем, что устройство для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии, содержащее вращающийся. вокруг горизонтальной оси ротор, снабженный расположенными по окружности изогнутыми емкостями, частично заполненными промежуточным теплоносителем и попарно соединенными диаметральными каналами со смещением емкостей относительно каналов в направлении вращения, согласно изобретению, дополнительно снабжено основанием и цилиндрическим корпусом с расположенными в нем на диаметральной плоскости уплотнениями, а также регулирующими резьбовыми пробками с клапанами, при этом корпус с уплотнениями установлен с возможностью поворота и фиксации относительно основания и охватывает ротор с образованием полостей для греющей и охлаждающей сред, регулирующие резьбовые пробки с клапанами размещены на радиальных стенках емкостей, а открытые концы диаметральных каналов введены в емкости на 0,1-0,15 радиального размера последних. При этом уровень поверхности жидкой фазы промежуточного теплоносителя в нижней емкости каждой пары емкостей выбирается с возможностью сообщения газовых пространств пары емкостей в любом их положении, а отклонение диаметральной плоскости от вертикали в направлении вращения не превышает центрального угла одной емкости. Сущность изобретения заключается в приближении термодинамического состояния промежуточного теплоносителя в замкнутых объемах пар емкостей к точке фазового перехода на индивидуальной кривой насыщения используемого вещества при средней температуре греющей и охлаждающей сред и расчетном давлении. Изобретение поясняется чертежами, на которых схематически изображено: фиг. 1 устройство для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии, вертикальный поперечный разрез: фиг. 2 - то же, увеличенный фрагмент А. Устройство, реализующее данный способ утилизации низкопотенциальной тепловой энергии, содержит закрепленный с возможностью поворота и фиксации относительно основания 1 цилиндрический корпус 2 с расположенными в нем на диаметральной плоскости уплотнениями 3. Корпус 2 с уплотнениями 3 охватывает горизонтальный цилиндрический ротор 4 с образованием полостей для греющей 5 и охлаждающей 6 сред. Ротор 4 содержит расположенные по окружности изогнутые емкости, частично заполненные промежуточным теплоносителем в жидком 8 и парообразном 9 состояниях и попарно соединенные диаметральными каналами 10, открытые концы которых введены в емкости на 0,1-0,15 радиального размера последних. При этом емкости смещены относительно каналов 10 в направлении вращения и снабжены установленными на радиальных стенках регулирующими резьбовыми пробками 11 с клапанами 12, а угол отклонения диаметральной плоскости от вертикали в направлении вращения не превышает центрального угла одной емкости. На чертежах не показаны радиальные перегородки, препятствующие утечкам и смещению теплообменивающихся сред, а также оребрение или искусственные шероховатости с внешней стороны емкостей 7, улучшающие теплоотдачу их поверхности. При достаточном тепловом потенциале газовых сред ротор 4 может быть соединен с валом отбора мощности. В этом случае устройство может использоваться не только в качестве регенеративного теплообменника-утилизатора, но и теплового двигателя. Устройство работает следующим образом. При нагревании входящей в полость 5 емкости 7 наполнитель интенсивно испаряется. Благодаря наличию диаметральных каналов 10 парообразный наполнитель движется в противоположную, расположенную в полости, охлаждаемую емкость 7, где происходит конденсация. При этом, кроме теплообмена, интенсифицируемого при по* мощи использования теплоты фазового превращения промежуточного теплоносителя, в каждой из пар емкостей под действием постоянно подводимой тепловой энергии непрерывно происходит перемещение массы наполнителя со стороны греющей на сторону охлаждающей среды, чем создается механический вращающий момент, поворачивающий ротор 4 по мере теплообмена. Предусмотренное конструкцией заявляемого устройства ограничение степени введения открытых концов соединительных диаметральных каналов 10 в емкости 7 величиной 0,1-0,15 радиального размера последних обеспечивает, с одной стороны, улавливание конденсата в верхнем положении емкости и исключение его обратного перетекания (которое возможно при введении упомянутых концов на величину, меньшую 0.1), а с другой - постоянное сообщение газовых пространств противоположных емкостей каждой пары при любом ее положении (что исключается при большей 0,15 степени введения). Заявленное ограничение положения уровня поверхности жидкой фазы промежуточного теплоносителя также является оптимальным, поскольку, с одной стороны, способствует постоянному беспрепятственному переносу массы паров 9 промежуточного теплоносителя в нужном направлении без повышения давления в емкостях (разность давления в противоположных емкостях пренебрежимо мала, поскольку не превышает аэродинамического сопротивления диаметрального канала 10), а с другой обеспечивает достаточно полное смачивание внутренних поверхностей стенок емкостей при испарении и конденсации промежуточного теплоносителя. Тем самым снижаются требования к располагаемому температурному напору, повышается эффективность использования тепловой энергии и расширяется область применения изобретения. Кроме того, предусмотренная конструкцией заявляемого устройства возможность поворота и фиксации корпуса относительно основания с отклонением диаметральной плоскости от вертикали в направлении вращения на некоторый угол a позволяет учесть и компенсировать тепловую инерцию емкостей с парообразным или жидким промежуточным теплоносителем, а предусмотренное ограничение значения а величиной центрального угла емкости b обусловлено снижением вращающего момента при a ³ b . Достижению максимальной энергетической эффективности данного технического решения способствует и обеспечение равных температурных напоров при испарении и конденсации, поскольку величина потока массы в каждой паре емкостей лимитируется меньшим из значений интенсивности этих процессов. Предусматриваемый с этой целью заявляемым способом подбор термодинамического состояния соответствующего промежуточного теплоносителя сводится к использованию вещества или смеси веществ, индивидуальная кривая насыщения которых позволяет поместить рабочую точку фазового перехода в середине располагаемой разности между температурами греющей и охлаждающей сред. При этом необходимая коррекция давления внутри каждой пары емкостей может быть осуществлена при помощи заявляемых элементов устройства - резьбовых пробок 11, поворотом которых внутренний объем каждой лары может быть изменен (увеличен или уменьшен) на необходимую для конкретных условий эксплуатации величину по отношению к начальному давлению, устанавливающемуся после заполнения емкостей расчетной дозой промежуточного теплоносители через клапаны (например, ниппельные) 12. Поскольку одним из важнейших требований к устройству является минимальная металлоемкость, необходимая для снижения трения и термического сопротивления, давление в системе во избежание деформации стенок емкостей должно минимально отличаться от атмосферного. Это обстоятельство важно и с термодинамической точки зрения, т.к. величина удельной теплоты парообразования веществ потенциальных наполнителей пар емкостей, существенно зависит от давления. В этой связи при избыточном давлении для испарения единицы массы наполнителя нужно затратить больше теплоты, что замедляет процесс переноса, а при вакууме с единицей массы пара невозможно передать такое же количество теплоты, как при атмосферном давлении. Таким образом, данное техническое решение позволяет с максимальной эффективностью утилизировать низкопотенциальную тепловую энергию. Оно может быть с успехом применено, например, для использования тепловой энергии исходящих из гражданских и промышленных объектов вентиляционных потоков, чего нельзя было достигнуть с помощью известных технических решений. Применительно к шахтным вентиляционным потокам, дебит которых достигает 300 м/с и более, заявляемое техническое решение может быть использовано для частичного подогрева подаваемого в шахту воздуха зимой и охлаждения его летом, несмотря на то, что в периоды года, когда необходима такая тепловая обработка, температура исходящей струи отличается от наружной не более чем на 1525°С. Так, например, в зоне многолетней мерзлоты, при температуре подаваемого в шахту наружного воздуха -25°С и температуре исходящей струи -5°С средняя температура составляет -15°С. В эти х условиях в качестве наполнителя емкостей может быть использован дифторэтан (R-152). При этом избыточное давление в емкостях должно составлять ~2 кг/см что обеспечивает интенсивное испарение наполнителя в потоке исходящей струи при его конденсации а диаметрально противоположной емкости в потоке наружного воздуха и, тем самым, способствует снижению затрат на искусственный подогрев. В зоне жаркого климата при температуре наружного воздуха +35°С и температуре исходящей стр уи +20°С снижение затрат на искусственное охлаждение подаваемого в шахту воздуха может быть достигнуто при использовании в качестве наполнителя монофтортрихлорметана (R-11). В этом случае избыточное давление в каждой паре емкостей не должно превышать 0,6 кг/см .