Способ регулирования теплового потока через поверхность конденсации и устройство для его осуществления
Изобретение относится к области теплотехники. В способе регулирования теплового потока через поверхность конденсации, состоящем в том, что объем, в котором расположена поверхность конденсации, сообщают с источником пара и с атмосферой, тепло от поверхности конденсации отводят к группе отдельных потребителей тепла так, чтобы тепло к одним потребителям поступало после обеспечения теплом других потребителей, за счет того, что объем, в котором расположена поверхность конденсации, разделяют на ряд последовательно сообщенных полостей, причем эти полости образуют канал, сообщающий источник пара с атмосферой, а тепло от участков поверхности конденсации, расположенных в различных полостях, отводят отдельно друг от друга к различным потребителям. В устройстве, содержащем источник пара, связанный с внутренней полостью теплообменного аппарата, которая сообщена с атмосферой, внутренняя полость теплообменного аппарата сообщена с атмосферой через внутреннюю полость, по крайней мере, еще одного теплообменного аппарата, причем теплообменные аппараты связаны с контурами теплоносителей различных потребителей тепла, внутренние полости теплообменных аппаратов образуют, по крайней мере, один протяженный в вертикальном направлении канал. Изобретение позволяет осуществить избирательную подачу тепла от поверхности конденсации к нескольким потребителям по иерархическому принципу. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области теплотехники, а более конкретно к способам и устройствам регулирования величин тепловых потоков в теплообменных аппаратах, обогреваемых паром и входящих в состав тепло-массообменных систем.
Известен способ регулирования теплового потока, реализуемый в устройствах, содержащих парожидкостные теплообменные аппараты, например, рекуперативного типа /1, 2/. В традиционном случае такие устройства имеют в своем составе источник пара, соединенный через регулирующий клапан с герметичной паровой полостью теплообменного аппарата, которая соединена через конденсатоотводчик /3/ с приемником конденсата, а также расположенный в паровой полости пучок трубок, по которым протекает нагреваемая жидкость.
В таких аппаратах регулирование теплового потока через поверхность конденсации осуществляют путем регулирования давления в паровой полости теплообменного аппарата.
К недостаткам таких устройств относится то, что как источник пара, так и паровая полость теплообменного аппарата находятся под избыточным давлением пара, а при работе устройства имеют место колебания давления и температуры в этих элементах, что приводит к возникновению переменных термических и механических напряжений в конструкции устройства /4/. Это существенно ограничивает область применения паровых теплообменных аппаратов, особенно в области бытовой техники.
Близким к заявляемому является способ, реализуемый в тепловых трубах переменной проводимости /5/ с холодным резервуаром. В этих трубах поверхность конденсации помещена в герметичном объеме, который связан с источником пара (поверхность испарения), причем этот объем заполнен паром и неконденсирующимися газами. Недостатком этих труб является то, что объем, в котором помещена поверхность конденсации, является герметичным, масса неконденсирующихся газов в нем остается постоянной, и изменение объемной концентрации этих газов возможно только за счет изменения давления парогазовой смеси. Поэтому колебания тепловой мощности источника пара приводят к колебаниям температуры и давления парогазовой среды в объеме, в котором помещена поверхность конденсации. Негативность фактора колебаний давления и температуры отмечена выше. Кроме того, размещение поверхности конденсации в одном общем объеме не позволяет (без введения дополнительных элементов автоматики) избирательно отводить тепловой поток от поверхности конденсации к различным потребителям.
Наиболее близким к заявляемому является способ /6/, согласно которому объем, в котором помещена поверхность конденсации, негерметичен и сообщен с атмосферой, что обеспечивает поддержание постоянного атмосферного давления во внутренней полости теплообменного аппарата.
Техническим результатом настоящего изобретения является возможность избирательной подачи тепла от поверхности конденсации к нескольким потребителям по иерархическому принципу, т.е. так, чтобы в контур теплоносителя следующего потребителя тепло начинало поступать только после нагрева до максимально возможной температуры теплоносителя в контуре теплоносителя предыдущего потребителя. Этот результат достигается тем, что объем, в котором расположена поверхность конденсации, разделяют на две или более последовательно сообщенных частей, а тепловые потоки от поверхности конденсации, расположенной в разных частях, отводят отдельно друг от друга.
Принцип действия заявляемых способа и устройства основан на известном факте /7/, что коэффициент теплообмена на поверхности конденсации существенно зависит от концентрации в конденсирующемся паре неконденсирующихся газов. Хотя это положение справедливо для паров большинства технических жидкостей, наиболее полно информация о влиянии на процесс конденсации неконденсирующихся газов в известной литературе представлена для водяного пара. Так, например, присутствие в конденсирующемся водяном паре 4% (по массе) воздуха снижает коэффициент теплоотдачи в 5 раз. При этом зависимость коэффициента теплообмена от концентрации воздуха является монотонно убывающей во всем диапазоне изменения последнего. В предельном же случае - при отсутствии пара в контакте с поверхностью конденсации - теплопередача осуществляется конвекцией неконденсирующегося газа, а коэффициент теплопередачи при этом пренебрежимо мал по сравнению с коэффициентом теплопередачи при конденсации чистого пара /8/. Здесь и далее под термином" чистый пар" подразумевается пар, свободный от неконденсирующихся газов.
Сущность изобретения поясняется фигурами 1...3.
На фиг.1 представлен вариант конструктивного исполнения устройства в случае, когда поверхность конденсации расположена в едином объеме, а тепло поступает к одному потребителю. Этот вариант соответствует известному устройству по патенту SU 1128088, F 28 D 15/00, 07.12.1984 и приведен для иллюстрации принципа действия заявляемого устройства.
На фиг.2 представлен вариант конструктивного исполнения заявляемого устройства, позволяющий осуществлять избирательный отбор тепла к нескольким потребителям.
На фиг.3 представлен вариант конструктивного исполнения заявляемого устройства в виде емкостного водонагревателя.
На фиг.1 представлен вариант конструктивного исполнения устройства. Устройство имеет в своем составе камеру испарения 1, сообщенную через свою верхнюю часть с камерой конденсации 2 так, что эти камеры образуют общую полость. Камера 1 частично заполнена водой 3 и по своей внешней поверхности контактирует с источником тепла - нагревателем 4. Устройство оснащено корпусом 5, который образует с внешней стенкой камеры 2 герметичный тракт, заполненный нагреваемой водой 6 и сообщенный с источником 7 и потребителем 8 этой воды. Камера 2 сообщена с окружающей атмосферой через патрубок 9.
Устройство работает следующим образом.
От источника 7 к потребителю 8 через тракт, образованный элементами 2 и 5, осуществляется проток воды 6, расход и начальная температура которой обеспечивают полное поглощение тепловой мощности нагревателя 4 при наличии в камере 2 чистого пара.
От нагревателя 4 через стенку камеры 1 к воде 3 передается тепловой поток, который поддерживает воду 3 в состоянии кипения, и приводит к образованию в испарительной камере водяного пара. Этот пар поступает из камеры 1 в камеру 2, на стенках которой происходит его конденсация. Выделяющаяся при конденсации теплота фазового перехода через стенки камеры 2 передается воде 6 и отводится к потребителю 8. Образующийся на стенках камеры 2 конденсат самотеком поступает в камеру 1, возвращаясь в объем кипящей воды 3.
Пусть в начальный момент времени камера 2 находится под атмосферным давлением и заполнена смесью водяного пара и неконденсирующихся газов (воздуха) в некотором соотношении их концентраций. Пусть при этом реализуемая на стенках камеры 2 скорость образования конденсата равна притоку пара в камеру 2 из камеры 1. Таким образом, устройство находится в состоянии динамического равновесия при атмосферном давлении в камере 2.
Рассмотрим, как устройство среагирует на возможные колебания давления в камере 2. Такие колебания могут быть вызваны, например, изменениями тепловой мощности нагревателя 4, а также начальных значений температуры и расхода воды 6.
Целью дальнейшего анализа будет показать, что в результате таких воздействий установится новое состояние динамического равновесия при том же атмосферном давлении в камере 2 и без непроизводительных потерь тепла на стационарном режиме.
Пусть произошел рост давления в камере 2 выше атмосферного давления. Причина - превышение притока пара в камеру 2 из камеры 1 над оттоком пара из камеры 2 вследствие конденсации на стенках камеры 2. Следствие - возникновение потока паро-воздушной смеси из камеры 2 в атмосферу через патрубок 9 и замещение этой смеси паром из камеры 1 (продувка объема камеры 2 паром), сопровождающееся ростом концентрации пара в камере 2 и соответствующим ростом скорости конденсации на стенках камеры 2. Процесс продолжается до уравнивания скорости конденсации пара в камере 2 и скорости поступления пара в эту камеру, после чего давление в камере 2 уравнивается с атмосферным давлением, и поток паро-воздушной смеси из патрубка 2 в атмосферу прекращается.
Пусть произошло падение давления в камере 2 ниже атмосферного давления. Причина - превышение оттока пара из камеры 2 вследствие конденсации на стенках камеры 2 над притоком пара в камеру 2 из камеры 1. Следствие - возникновение потока воздуха из атмосферы в камеру 2 через патрубок 9 и замещение паро-воздушной смеси в камере 2 воздухом из атмосферы (захват воздуха из атмосферы в камеру 2), сопровождающееся снижением концентрации пара в камере 2 и соответствующим падением скорости конденсации на стенках камеры 2. Процесс продолжается до уравнивания скорости конденсации пара в камере 2 и скорости поступления пара в эту камеру, после чего давление в камере 2 уравнивается с атмосферным давлением, и поток воздуха из атмосферы в камеру 2 прекращается.
Таким образом, устройство по фиг.1 имеет естественный механизм терморегулирования, восстанавливающий атмосферное давление в камере 2 при колебаниях этого давления под влиянием внешних или внутренних факторов. При этом после восстановления атмосферного давления в камере 2 реализуется стационарный процесс, когда теплообмен устройства с атмосферой прекращается. Следовательно, заявленные цели проведенного анализа достигнуты.
В случае, если параметры потока воды из источника 7 к потребителю 8 не обеспечивают отбора тепловой мощности нагревателя 4 при наличии в камере 2 чистого пара, после полного удаления воздуха из камеры 2 избыточная тепловая мощность нагревателя 4 начнет поступать в атмосферу через патрубок 9 с потоком пара. Следовательно, критерием такого предельного состояния устройства (предельной температуры нагреваемой воды, которая определяет градиент температур на стенке камеры 2 и скорость конденсации на этой стенке) является возникновение постоянного потока пара из патрубка 9 в атмосферу. При возникновении такой ситуации для избежания непроизводительных потерь тепла и воды 3 в атмосферу следует либо регулировать тепловую мощность нагревателя 4, либо полезно использовать избыточную мощность этого нагревателя, причем без ущерба для нагрева воды 6.
На фиг.2 представлен вариант конструктивного исполнения заявляемого устройства, позволяющий осуществлять избирательный отбор тепла к нескольким потребителям по иерархическому принципу (т.е. когда отбор тепла ко второму потребителю происходит только после нагрева воды 6 до предельной температуры).
В этом варианте патрубок 9 сообщен с внутренним объемом второй конденсационной камеры 10, который в свою очередь сообщен с атмосферой через патрубок 11. Таким образом, камера 2 связана с атмосферой через элементы 9, 10 и 11. Устройство оснащено вторым корпусом 12, который образует со внешней стенкой камеры 10 герметичный тракт, заполненный нагреваемой водой второго потребителя 13 и сообщенный с источником 14 и потребителем 15 этой воды. Нижняя часть камеры 10 соединена с нижней частью камеры 1 трубкой 16 для отвода конденсата.
Устройство в исполнении по фиг.2 работает следующим образом.
В случае, если параметры потока воды 6 обеспечивают полный отбор тепла нагревателя 4 при наличии в камере 2 чистого пара, работа устройства аналогична работе устройства в исполнении по фиг.2. Отличие состоит в том, что при продувке камеры 2 паром паро-воздушная смесь из камеры 2 поступает через патрубок 9 в камеру 10, где пар частично конденсируется, и далее - в атмосферу через патрубок 11. Конденсат из камеры 10 стекает в объем кипящей воды 3 по трубке 16. При захвате воздуха из атмосферы в камеру 2 этот воздух первоначально поступает в камеру 10 через патрубок 11 и далее из камеры 10 - в камеру 2 через патрубок 9. В стационарном режиме работы в камере 10 находится воздух, массообмен через патрубки 9 и 11 отсутствует.
В случае, если параметры потока воды 6 не обеспечивают полный отбор тепла нагревателя 4 при наличии в камере 2 чистого пара, камера 2 заполняется чистым паром из камеры 1 и возникает постоянный поток пара из патрубка 9 в камеру 10. В результате в камере 10 происходит конденсация пара из патрубка 9 при переменной концентрации воздуха в камере 10. При этом механизм конденсации аналогичен механизму конденсации в камере 2 при исполнении устройства по фиг.1 с теми отличиями, что:
- пар поступает в камеру 10 не из камеры 1, а из патрубка 9;
- выделяющееся при конденсации тепло передается через стенку камеры 10 воде 13.
Работоспособность устройства будет обеспечена в том случае, если характеристики потоков воды 6 и воды 13 позволяют воспринять этим потокам тепловую энергию нагревателя 4 при наличии в камерах 2 и 10 чистого пара. При нарушении этого условия патрубок 11 может быть сообщен с атмосферой через третью конденсационную камеру, связанную с третьим потребителем тепла по той же схеме, по которой соединены камеры 2 и 10. При этом для второго и третьего потребителей тепла сохранится та же иерархическая схема подвода тепла, которая имеет место соответственно для первого и второго потребителей. Здесь под первым и вторым потребителями подразумеваются потребители 8 и 15 соответственно.
На фиг.3 представлен вариант конструктивного исполнения заявляемого устройства в виде емкостного водонагревателя. Отличие этого варианта от варианта на фиг.1 состоит в следующем:
- Тракт, образованный элементами 2 и 5, выполнен в виде накопительной емкости, в которой помещен объем воды 6.
- Подача пара из камеры 1 в камеру 2 осуществляется через паропровод 17, связывающий верхние точки этих камер.
- Устройство оснащено конденсатопроводом 18, связывающим камеры 1 и 2, для отвода конденсата из камеры 2 в камеру 1.
- Патрубок 9 расположен в нижней части камеры 2.
- Участок камеры 2, контактирующий с водой 6, имеет форму протяженного в
вертикальном направлении канала 19, гидравлический диаметр d которого существенно меньше вертикального габарита h этого канала (d/h≪1).
- В данном исполнении существенно, что источник 7 соединен с нижней частью накопительной емкости, а приемник 8 соединен с верхней частью этой емкости. При реализации исполнения по фиг.3 предполагается, что концентрация воздуха в канале 19 может быть переменной не только по времени, но и по высоте этого канала. Основание для такого допущения - данные источника /9/, согласно которым мощность диффузионного потока пара в объеме с паро-воздушной смесью пропорциональна градиенту концентрации пара, который обратно пропорционален характерному размеру этого объема. Следовательно, для канала 19 поток пара в вертикальном направлении (характерный размер h) будет пренебрежимо мал по сравнению с потоком пара в направлении, нормальном стенкам канала (характерный размер d), за исключением тех участков этого канала, на которых отсутствует конденсация пара (участков, на которых отсутствует разность концентраций пара в направлении, нормальном стенкам канала). Физически это означает, что молекулы пара, находящиеся в тех участках канала 19, стенки которых являются поверхностью конденсации, достигнут поверхности конденсации прежде, чем переместятся в вертикальном направлении на высоту, соизмеримую с высотой канала 19. Как принято выше, поверхностью конденсации являются те участки стенки камеры 19, которые по своей внешней поверхности контактируют с водой 6, не нагретой до предельного состояния. Эта особенность позволяет рассматривать различные участки поверхности конденсации как различные теплообменные аппараты, внутренние полости которых последовательно сообщены.
Функционирование устройства в исполнении по фиг.3 от устройства по фиг.1 отличается тем, что при отсутствии расхода воды от источника 7 к потребителю 8 происходит аккумулирование тепловой энергии нагревателя 4 в воде 6. При этом нагрев воды 6 в накопительной емкости осуществляется механизмом естественной конвекции. Механизм естественной конвекции обеспечивает перемешивание горизонтальных слоев воды в накопительной емкости только в случае расположения нагретых слоев ниже холодных /10/. Исключение составляет диапазон температур 0°С...5°С, который не представляет практического интереса в большинстве случаев нагревания воды. Эта особенность позволяет осуществлять избирательный отбор тепла к различным горизонтальным слоям воды 6, которые в данном случае играют роль различных потребителей тепла.
При работе устройства пар из камеры 1 по паропроводу 17 поступает в верхнюю часть канала 19, нагревая контактирующую с каналом 19 воду 6. В соответствии со сделанными допущениями, только после прогрева верхних слоев воды до предельной температуры пар начинает поступать по каналу 19 вниз, прогревая нижние слои воды в накопительной емкости. Поэтому движение пара сверху вниз по каналу 19 позволяет осуществлять послойный нагрев воды в накопительной емкости также сверху вниз, когда перемешивание верхних и нижних слоев воды 6 отсутствует. Это соответствует замещению паро-воздушной смеси в канале 19 чистым паром из камеры 1 и вытеснением части паро-воздушной смеси из канала 19 в атмосферу через патрубок 9. Образующийся на стеках канала 19 конденсат самотеком поступает в нижнюю часть камеры 2, откуда по конденсатопроводу 18 возвращается в камеру 1.
Следует отметить, что при стекании конденсата по стенкам канала 19 будет происходить теплообмен между этим конденсатом и водой 6 независимо от распределения концентрации пара в канале 19. Таким образом, частичный нагрев нижних слоев воды в накопительной емкости будет происходить и прежде, чем верхние слои этой воды нагреются до предельного состояния.
Однако теплоемкость конденсата при его охлаждении от 100°С до 20°С составляет 15% от энергии его фазового перехода при атмосферном давлении, что позволяет пренебречь этой теплоемкостью при качественном анализе процесса. Теплоотдачу от стекающего конденсата позволяет существенно снизить известный технический прием /11/ оснащения поверхности конденсации конденсатоотводными колпаками, что может быть использовано в предлагаемом устройстве.
При работе устройства по высоте канала 19 установится некоторое распределение концентрации воздуха в паре и соответствующее распределение скорости конденсации пара. При этом концентрация воздуха будет максимальной у патрубка 9 и минимальной у точки подвода пара в камеру 2 из паропровода 17. Если принять некоторое значение концентрации воздуха в паре за условную границу раздела пара и воздуха, то по мере прогрева верхних слоев воды 6 в накопительной емкости до предельной температуры будет происходить смещение этой границы по каналу 19 вниз с прогревом все более глубоких слоев этой воды. Это и приводит к возникновению переменной концентрации воздуха и пара в канале 19 как по времени, так и по высоте этого канала.
Следовательно, реализация устройства позволит разделить воду в накопительной емкости на верхнюю горячую и нижнюю холодную области с иерархическим преимуществом нагрева горячей области. По мере работы нагревателя 4 граница раздела этих областей будет перемещаться сверху вниз по высоте накопительной емкости. При включении потребителя 8 это позволит получить первую порцию воды 6, гарантированно нагретую до предельной температуры даже при ограниченном времени работы нагревателя 4, что и является целью оснащения камеры 2 участком в виде протяженного в вертикальном направлении канала 19.
Сравнение заявляемого устройства с прототипом - устройством, источник пара, связанный с внутренней полостью теплообменного аппарата, которая сообщена с атмосферой, показало, что заявляемое устройство отличается тем, что внутренняя полость теплообменного аппарата сообщена с атмосферой через внутреннюю полость по крайней мере еще одного теплообменного аппарата, причем теплообменные аппараты связаны с контурами теплоносителей различных потребителей тепла. Таким образом, заявляемое устройство отвечает признаку "существенные отличия".
Сравнение заявляемого устройства не только с прототипом, но и с другими аналогами не позволило выявить в них черт, отличающих заявляемое устройство от прототипа. Таким образом, заявляемое устройство отвечает признаку "новизна".
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Арсеньев Г.В. Энергетические установки. М.: "Высшая школа", 1991, с.221.
2. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник. // под ред. В.А.Григорьева и В.М.Зорина. М.: "Энергоатомиздат", 1983, с.383.
3. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник. // под ред. В.А.Григорьева и В.М.Зорина. М.: "Энергоатомиздат", 1983, с.131, 132.
4. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник. // под ред. В.А.Григорьева и В.М.Зорина. М.: "Энергоатомиздат", 1983, с.109, 112.
5. Дан П.Д., Рей Д.А. Тепловые трубы. М.: Энергия, 1979, с.177-179.
6. Авторское свидетельство СССР SU 1128088, кл. F 28 D 15/00, 07.12.1984, Бюл. №45.
7. Справочник машиностроителя. // под ред. Н.С.Ачеркана. М.: "Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы", Т.2, 1960, с.226.
8. Там же, с.214.
9. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. М.: "Энергия", 1977, с.127.
10. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидро-динамическое сопротивление. Справочное пособие. М.: "Энергоатомиздат", 1990, с.170.
11. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. М.: "Энергия", 1977, с.72.
1. Способ регулирования теплового потока через поверхность конденсации, состоящий в том, что объем, в котором расположена поверхность конденсации, сообщают с источником пара и с атмосферой, отличающийся тем, что тепло от поверхности конденсации отводят к группе отдельных потребителей тепла так, чтобы тепло к одним потребителям поступало после обеспечения теплом других потребителей за счет того, что объем, в котором расположена поверхность конденсации, разделяют на ряд последовательно сообщенных полостей, причем эти полости образуют канал, сообщающий источник пара с атмосферой, а тепло от участков поверхности конденсации, расположенных в различных полостях, отводят отдельно друг от друга к различным потребителям.
2. Устройство, содержащее источник пара, связанный с внутренней полостью теплообменного аппарата, которая сообщена с атмосферой, отличающееся тем, что внутренняя полость теплообменного аппарата сообщена с атмосферой через внутреннюю полость, по крайней мере, еще одного теплообменного аппарата, причем теплообменные аппараты связаны с контурами теплоносителей различных потребителей тепла.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что внутренние полости теплообменных аппаратов образуют, по крайней мере, один протяженный в вертикальном направлении канал, гидравлический диаметр d и высота h которого связаны отношением d/h≪1, причем атмосфера и источник пара сообщены соответственно с нижней и верхней частями этого канала, а потребители тепла образуют, по крайней мере, один замкнутый объем, который контактирует через стенку с внутренними полостями теплообменных аппаратов.
