Теплообменное устройство (варианты)
Изобретение относится к теплообменным устройствам, в которых используется материал с легко изменяющимися фазовыми состояниями (далее - "МЛИФС-устройства"), содержащим регенеративные теплообменные модули (1a, 1b), работающие по принципу противотока, МЛИФС-аккумуляторы (2, 3), установленные в теплообменных модулях, и вихревую трубу (6, 7, 8). Когда направления потоков воздуха, газа или жидкости циклически изменяются в устройстве на противоположные, энергия накапливается в теплообменном модуле и в МЛИФС-аккумуляторе, а в следующем цикле энергия высвобождается из теплообменного модуля и МЛИФС-аккумулятора. В то время как один теплообменный модуль и МЛИФС-аккумулятор накапливают энергию (заряжаются), другой теплообменный модуль и МЛИФС-аккумулятор отдают энергию (разряжаются). Потоки охлажденной и нагретой текучей среды, выходящие из вихревой трубы, используются для создания или поддержки создания необходимой разницы температур. Технический результат - создание регенеративного теплообменного устройства, которое может быть использовано во многих случаях, даже тогда, когда отсутствует внешняя текучая среда, и, в частности, в условиях, когда разность температур входящей и выходящей текучих сред недостаточна для использования эффекта фазовых переходов МЛИФС, а также относительно низкая цена, малошумность, снижение веса, легкость обслуживания, экологическая безопасность. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к теплообменному устройству, которое содержит регенеративный теплообменник, работающий на принципе противотока, с аккумулятором тепловой энергии, в котором используется материал с легко изменяющимися фазовыми состояниями (МЛИФС), и/или вихревую трубу, в которой используется эффект Вентури. Установка обеспечивает летом предварительное охлаждение и высушивание наружного воздуха, поступающего в систему вентиляции, и зимой - предварительный подогрев и увлажнение поступающего воздуха. Установка может быть также использована и без системы вентиляции. Настоящее изобретение может использоваться в системах кондиционирования воздуха зданий, а также в транспортных средствах, в помещениях с оборудованием коммерческих и промышленных предприятий и в любых закрытых помещениях, в которых требуется поддерживать регулируемые характеристики окружающей среды, например, для охлаждения продуктов и оборудования при осуществлении производственных процессов, а также для охлаждения аппаратуры, например компьютеров и телекоммуникационного оборудования. Кроме охлаждения воздуха или какого-либо газа теплообменник может использоваться для улучшения теплопередачи в жидкостях.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Энергия все больше используется для охлаждения в отличие от естественного хода вещей в природе, когда тепловая энергия передается более холодному объекту. По мере развития процесса потепления климата процессы охлаждения и высушивания будут потреблять все больше энергии. Традиционное охлаждение с использованием компрессоров потребляет много энергии. Достоинством абсорбционного охлаждения, среди прочего, является использование отходящего тепла. Термоэлектрические приборы, в которых используется эффект Зеебека, преобразуют тепло в электричество, однако они дороги в изготовлении и не очень подходят для объектов, требующих больших количеств энергии.
Кроме использования в зданиях, транспортных средствах и для обеспечения производственных процессов регулирование температуры также жизненно важно для тепловыделяющих устройств, таких как компьютеры.
Вентиляция является важным процессом, но часто ее невозможно использовать, например, в зонах с загрязненным воздухом, таких как магазины, находящиеся на первом этаже. Во многих применениях, например охлаждение компьютеров, вентиляция является излишней.
При накоплении теплоты в МЛИФС существенные фазовые превращения, как правило, осуществляются между твердой и жидкой фазами. Температура таких аккумуляторов обычно поддерживается в диапазоне 0-100°С, то есть они пригодны для кратковременного хранения энергии при их соединении с нагревательными и охлаждающими устройствами. В качестве типичных примеров таких сред можно указать лед/вода, соляные растворы, гидраты неорганических солей, насыщенные углеводороды и жирные кислоты, имеющие большой молекулярный вес. К достоинствам аккумуляторов, в которых используется МЛИФС (далее - "МЛИФС-аккумуляторы"), относятся их малые размеры по сравнению, например, с водяными накопителями, и, кроме того, в них нет движущихся частей. Материалы с изменяемым фазовым состоянием до недавнего времени использовались для нагрева и охлаждения ткани, используемой для одежды. Один из недостатков МЛИФС-аккумуляторов связан с их плохой теплопроводностью. МЛИФС-аккумуляторы также могут иметь пластинчатую форму. Отвод тепла от МЛИФС-аккумуляторов представляет их основную проблему, поскольку дальнейшее накопление тепла невозможно, пока не будет отведено уже накопленное тепло. Таким образом, работа МЛИФС-устройств основывается на циклических накоплениях и сбросах теплоты. Одним из достоинств МЛИФС является то, что фазовые переходы происходят при небольшой разнице температур. Если температуры наружного воздуха и воздуха внутри системы вентиляции одинаковы, то, конечно же, фазовый переход не происходит.
Потребности в охлаждении в зданиях определяются тремя факторами: тепловой нагрузкой, определяемой наружным воздухом, воздухом внутри помещений и вентиляцией. Известно, что регенерация тепла, осуществляемая с использованием противотока, обеспечивает более высокую эффективность по сравнению с системой, работающей на принципе прямого потока (см., например, патент №7059385). В регенеративных системах тепло эффективно накапливается в модулях регенерации тепла.
В рекуперативных пластинчатых теплообменниках с перекрестным потоком не осуществляется реверсирование воздушных потоков, и, соответственно, они не могут взаимодействовать оптимальным образом ни с МЛИФС-аккумулятором, ни с циклически работающим модулем регенерации тепла.
Стационарная система модулей накопления и регенерации тепла, работающих на противотоке, проста и эффективна. Система модулей может быть выполнена из любого материала, имеющего высокую способность аккумулирования тепла (теплоемкость), такого как, например, алюминий или медь. Кроме того, может использоваться поворотный регенеративный теплообменник, который поочередно поворачивается между двумя противоположными потоками воздуха, заменяя, таким образом, два теплообменных модуля, хотя его эффективность ниже, конструкция сложнее и стоимость выше.
В известной вихревой трубе или в аналогичном устройстве используется эффект Вентури. См. Wikipedia http://en.wikipedia.Org/wiki/VortexTube. Вихревая труба имеет одно входное отверстие и первое и второе выходные отверстия на противоположных концах трубы, перпендикулярных входному отверстию. Сжимаемая текучая среда, такая как, например, воздух, поступает через входное отверстие, и нагретый воздух выходит через первое выходное отверстие, а охлажденный воздух выходит через второе выходное отверстие. В вихревой трубе отсутствуют движущиеся части. Например, если воздух поступает во входное отверстие при температуре 21°С, то из первого выходного отверстия может выходить воздух при температуре 76°С, а температура воздуха, выходящего из второго выходного отверстия, может достигать -34°С.
Вместо вихревой трубы может использоваться известное техническое решение в форме компрессора для создания разницы температур, однако в этом случае эффективность ниже. Если используется только вихревая труба, то, как правило, охлаждение/обогрев больших помещений будет нерентабельным.
В патентах DE 3825155, US 4407134 и в опубликованной заявке US 2002073848 вихревая труба указывается в качестве отдельного устройства, используемого для получения потока холодного воздуха на одной стороне и потока горячего воздуха на другой стороне. Эта труба также не соединена с каким-либо теплообменником, с использованием МЛИФС или без него, поскольку принцип непрерывной работы трубы не позволяет соединять ее с устройством, которое работает циклически, как в настоящем изобретении. В патенте ЕР 1455157 МЛИФС указывается лишь в качестве среды аккумулирования тепла, однако в отличие от настоящего изобретения он не сообщается с внешней вихревой трубой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является создание регенеративного теплообменного устройства, которое может быть использовано во многих случаях, даже тогда, когда отсутствует внешняя текучая среда, и, в частности, в условиях, когда разность температур входящей и выходящей текучих сред недостаточна для использования эффекта фазовых переходов МЛИФС.
Изобретение применимо для теплопередачи между воздухом, другими газами и жидкостями.
Скрытая теплота не проявляется в форме повышения температуры, поскольку она представляет собой энергию, которая необходима для перехода материала из одного физического состояния в другое, например для превращения льда в воду или воды в пар. Такие переходы между состояниями могут быть эндотермическими, то есть они связывают (поглощают) тепловую энергию, или экзотермическими, то есть они высвобождают тепловую энергию. Таким образом, например, энергия, необходимая для испарения воды, высвобождается при конденсации пара и его превращении в воду.
В соответствии с изобретением один МЛИФС-аккумулятор соединяется по меньшей мере с одним модулем регенерации тепла, и в этом случае энергия, накопленная в аккумуляторе, высвобождается при изменении направления воздушного потока на противоположное (реверсирование). Обеспечивается такое взаимодействие каждого аккумулятора и материала регенерации тепла, при котором теплообмен происходит наиболее эффективно. Это важно в отношении воздуха и газа из-за конденсации и испарения влаги. Необходимо отметить, что использование материала регенерации тепла не имеет такого значения в случае жидкостей. Устройство содержит два модуля регенерации внутренней энергии, и в нем осуществляется циклическое реверсирование направлений потоков текучей среды. На первом конце устройства может быть установлена вихревая труба, из первого выходного отверстия которой выводится горячая/холодная текучая среда и через камеру направляется к МЛИФС. Одновременно второй поток из вихревой трубы выводится из второго выходного отверстия и направляется ко второму МЛИФС, если он есть, или выводится во внешнюю среду.
Предусмотрено, что вихревая труба выполнена с возможностью отключаться, если разница температур потоков текучей среды, поступающих в устройство и выходящих из него, достаточна для обеспечения работы МЛИФС-аккумулятора.
Предусмотрено также, что несколько соответствующих модулей снабжены циклически работающими МЛИФС-аккумуляторами, а по меньшей мере некоторые аккумуляторы работают в разных диапазонах температур.
В соответствии с изобретением теплообменный МЛИФС-модуль выполнен с возможностью работы в одном из следующих объектов: здание, транспортное средство, подводная лодка, летательный аппарат, транспортный контейнер, компьютер, криогенное устройство, космические технологии и устройство, в котором диоксид углерода используется в закритическом цикле.
В соответствии с одним из вариантов теплообменное устройство содержит по меньшей мере одну вихревую трубу, имеющую входное отверстие, первое выходное отверстие и второе выходное отверстие, причем вихревая труба установлена в камере, непроницаемой для текучей среды, так чтобы первый поток текучей среды из первого выходного отверстия вихревой трубы проходил возле МЛИФС-аккумулятора, размещенного внутри первого теплообменного модуля, в то время как поток текучей среды из второго выходного отверстия вихревой трубы направлялся в противоположном направлении, в направлении второго теплообменного модуля. Предусмотрено также, что поток из второго выходного отверстия вихревой трубы выводят из устройства.
Теплообменное устройство дополнительно содержит по меньшей мере второй МЛИФС-аккумулятор, который размещен во втором теплообменном модуле и в котором первый поток текучей среды из первого выходного отверстия вихревой трубы поочередно направляется в МЛИФС-аккумулятор в первом теплообменном модуле и затем в МЛИФС-аккумулятор во втором теплообменном модуле.
В устройстве также предусмотрено, что периодически изменяющийся поток текучей среды из первого выходного отверстия вихревой трубы поочередно устанавливается относительно МЛИФС-аккумуляторов в первом и втором теплообменных модулях с помощью трубопроводов или пластин, соединенных с первым выходным отверстием вихревой трубы, причем периодически изменяющийся поток текучей среды из первого выходного отверстия вихревой трубы устанавливается относительно МЛИФС-аккумуляторов в первом и втором теплообменных модулях периодическим поворотом вихревой трубы на 180°.
Кроме того, теплообменное устройство дополнительно содержит вторую вихревую трубу, размещенную в камере, непроницаемой для текучей среды, так чтобы первый поток текучей среды из первого выходного отверстия второй вихревой трубы проходил МЛИФС-аккумулятор, соединенный со вторым теплообменным модулем, и при этом первая и вторая вихревые трубы циклически включаются и выключаются, чтобы только один поток текучей среды вихревой трубы выходил из первого выходного отверстия в любой заданный момент времени, а в качестве первого и второго теплообменных модулей используется один поворотный регенеративный теплообменный модуль, расположенный между теплым и холодным потоками текучей среды, так что направление потока текучей среды не изменяется периодически на противоположное, и первый поток текучей среды из первого выходного отверстия вихревой трубы проходит через МЛИФС-аккумулятор при повороте регенеративного теплообменного модуля.
Предлагаемое в изобретении устройство имеет более высокую эффективность (холодильный коэффициент до 9,0) по сравнению с известными охлаждающими устройствами, средний холодильный коэффициент которых составляет 2,7. Сезонный коэффициент энергетической эффективности предлагаемого в изобретении устройства имеет более сглаженный характер в связи с тем, что отсутствует замерзание зимой и испарение конденсата летом. Замечательной особенностью изобретения является снижение пикового потребления электроэнергии как зимой, так и летом. Это очень важная проблема для таких государств, как, например, Китай, в котором ощущается недостаток электроэнергии.
Предлагаемое в изобретении устройство относительно дешево, оно создает мало шума, вес его невелик, его легко обслуживать, и оно не содержит опасных веществ.
Для работы предлагаемого в изобретении устройства необходимы только три вентилятора: два вентилятора для создания циклически меняющихся потоков воздуха/текучей среды (необходимы два вентилятора/насоса, имеющих примерно одинаковую производительность, для уравновешивания потоков текучей среды и предотвращения скачков давления) и один вентилятор для вихревой трубы. Потребление энергии невелико, и поэтому требования к силовым электрическим подключениям невысокие. Таким образом, становится возможным использование маломощных источников энергии, таких как, например, солнечные панели в транспортных контейнерах, а также в вынесенных базовых телекоммуникационных станциях.
Для работы компрессорных кондиционеров автомобилей необходимо, чтобы двигатель работал. Таким образом, даже если автомобиль не двигается, в воздух поступают загрязняющие вещества. При использовании предложенного в изобретении устройства охлаждение воздуха в салоне автомобиля возможно с малым потреблением энергии при выключенном двигателе. В замкнутых изолированных пространствах, таких как отсеки подводных лодок или помещения с особо чистой атмосферой, дополнительным основным требованием является низкий уровень шумов, когда не осуществляется подача свежего воздуха. Настоящее изобретение обеспечивает выполнение этого требования.
В известных системах вентиляции устройства регенерации тепла и устройства охлаждения имеют длительный период окупаемости. В дополнение к первоначальным затратам традиционные вентиляторы с регенерацией тепла и тепловые насосы, использующие наружный воздух, не могут работать без потребления дополнительно подводимой энергии при температурах, не превышающих 0°С. Воздушные тепловые насосы для помещений также нельзя использовать, когда температура наружного воздуха выше, чем температура воздуха в помещении. Соответственно, такие устройства будут работать сравнительно непродолжительное время в году (зимой или летом, но не круглогодично). Если необходимо использовать обе системы совместно с осушителем или увлажнителем воздуха, расходы будут еще выше. Учитывая существующие зоны жаркого климата в США и средние тарифы на электроэнергию в этих зонах, срок окупаемости устройства вентиляции в соответствии с настоящим изобретением может быть меньше года. Великолепный сезонный коэффициент энергетической эффективности достигается за счет длительного периода использования в году, поскольку предлагаемое в изобретении устройство может работать и зимой, и летом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение объясняется ниже на примере и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:
фигура 1 - схематический вид предлагаемого в изобретении теплообменного МЛИФС-устройства, на котором показаны потоки текучей среды;
фигура 2 - схематический вид вихревой трубы, на котором иллюстрируются потоки текучей среды, теплообменники и МЛИФС для различных рабочих температур в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как можно видеть на фигуре 1, предлагаемое в настоящем изобретении теплообменное МЛИФС-устройство содержит по меньшей мере два регенеративных теплообменных модуля 1а и 1b, работающих по принципу регенеративного противотока, в соответствии с которым потоки воздуха, газов или жидкостей направляются в теплообменник и выводятся из него с циклическим изменением направлений потоков на противоположные. Воздушные потоки показаны стрелками 22 и 24. Стрелки 22 (сплошные линии) показывают воздушные потоки в первом цикле, а стрелки 24 (пунктирные линии) показывают воздушные потоки во втором цикле. Изменение направлений воздушных потоков в элементах 1а и 1b может осуществляться с использованием известных технических средств, например отклонителей потока, вентиляторов, отражателей, клапанов или других устройств. Эти известные технические средства, обеспечивающие изменение направлений воздушных потоков в модулях 1а и 1b, показаны схематически элементами 26а и 26b.
В альтернативном варианте может быть использован один регенеративный теплообменник поворотного типа, приспособленный для пропускания двух воздушных потоков, однако его эффективность ниже, чем эффективность двух теплообменников.
Теплообменники (модули 1а и 1b) расположены рядом друг с другом и отделены таким образом, чтобы предотвратить смешивание потоков и излишнюю теплопередачу. Один или несколько модулей выполнены из материала с легко изменяющимися фазовыми состояниями (МЛИФС) или содержат такой материал, то есть МЛИФС-аккумуляторы встроены в теплообменники (1а и 1b). Когда горячая текучая среда поступает в один из модулей (например, в модуль 1а), она передает энергию (энтальпию) этому теплообменному модулю (1а), в результате чего может измениться фазовое состояние материала в МЛИФС-аккумуляторе (2). Это влечет за собой изменение температуры текучей среды. Теплообменники могут быть изготовлены из материала с высокой теплопроводностью, такого как, например, алюминий или медь, предпочтительно обладающего также высокой теплоемкостью. Теплообменники (1а, 1b) могут располагаться в середине устройства. Теплообменники (1а, 1b) отделены друг от друга и от устройства стенками (30) и стенками (31 и 32) на обоих концах модулей с проемами для прохождения показанных воздушных потоков. МЛИФС-аккумулятор (2, 3) может быть устроен таким образом, чтобы создавать достаточную турбулентность движущейся текучей среды. Когда аккумулируется достаточно тепла от поступающей текучей среды или изменяется фазовое состояние МЛИФС-аккумулятора (2, 3), направления потоков текучей среды изменяются на противоположные, так что более холодная текучая среда нагревается при прохождении через нагретые модули (1а, 1b), и затем цикл повторяется. Тепло также передается в поток текучей среды от МЛИФС-аккумулятора (2 или 3), если в предыдущем цикле оно аккумулировалось в результате фазового перехода.
Циклическая работа устройства может быть оптимизирована, среди прочего, за счет подбора температуры. В случае воздушного потока водяные пары, содержащиеся в воздухе, конденсируются в процессе одного такого цикла на поверхности соответствующего модуля, а во время последующего цикла сконденсировавшаяся вода снова испаряется и возвращается в воздух. Энергия, необходимая для испарения воды, поступает из модуля и МЛИФС-аккумулятора (2 или 3), в результате чего воздух охлаждается, и МЛИФС-аккумулятор (2 или 3) изменяет свое состояние, например, с жидкого на твердое. В следующем цикле горячий воздух охлаждается при взаимодействии с холодным модулем и МЛИФС-аккумулятором (2 или 3), и в конце цикла холодный модуль нагревается, и фазовое состояние МЛИФС-аккумулятора (2 или 3) снова изменяется, теперь с твердого на жидкое, что снова приводит к изменению направлений воздушных потоков на противоположные. Соответственно, можно установить ряд МЛИФС-аккумуляторов (2, 3), работающих в разных диапазонах температур, скажем, один аккумулятор может начинать работу, когда работа другого прекращается, или один аккумулятор работает при пониженной температуре, а другой - при повышенной. МЛИФС-аккумулятор (2, 3) может быть использован только в одном из теплообменных модулей, однако более высокая эффективность достигается в том случае, когда в каждом из теплообменных модулей (1а и 1b) используется по меньшей один МЛИФС-аккумулятор (2, 3), так что все время один из аккумуляторов разряжается, а другой заряжается. Тепло также может накапливаться в МЛИФС-аккумуляторе (2, 3) или отдаваться им с использованием дополнительной системы циркуляции жидкости (вторичный контур), которая обеспечивает использование тепла для других целей, например для подогрева воды. Изобретение подходит для использования в зданиях и в транспортных средствах, а также для управления теплом в производственных процессах и установках, таких как, например, компьютеры, силовые электронные схемы и т.п. В МЛИФС-аккумуляторе используется скрытая теплота. С другой стороны, изменение фазового состояния требует большого количества энергии. Необходимая для этого разница температур (тепло) создается вихревой трубой (6-8), содержащей полую трубу. Вихревая труба может быть размещена в камере (4), непроницаемой для текучей среды, или в зоне (камере) 4' между модулями (1а и 1b). Сжатый воздух подается в вихревую трубу (6-8) тангенциально через входное отверстие (40). Теплый воздух выходит из первого выходного отверстия (42), а холодный воздух выходит из второго выходного отверстия (44). Потоки текучей среды нагревают или охлаждают модули (1а и 1b) и соответствующие МЛИФС-аккумуляторы (2, 3). Поток текучей среды, который выходит из вихревой трубы (6-8) и не используется в процессе, может быть выведен во внешнее пространство (50) или же может использоваться, например, для охлаждения или подогрева воды. Этот другой поток, выходящий из вихревой трубы (6-8), также может использоваться и в самом процессе. Обычно в устройстве используется только одна вихревая труба (6-8). Например, как показано на фигуре 2, воздух при температуре 21°С (9) направляется вентилятором/компрессором/насосом (52) под давлением 6-7 бар во входное отверстие (40). Поток текучей среды, поступающей из первого выходного отверстия (42) вихревой трубы в теплообменный модуль (1b), имеет температуру на входе +76°С (12). МЛИФС-аккумулятор (3) находится в твердом состоянии. При прохождении теплой текучей среды через теплообменный модуль (1b) и МЛИФС-аккумулятор (3) фазовое состояние аккумулятора (3) изменяется с твердого на жидкое. Когда текучая среда выходит из теплообменного модуля (1b), ее температура уже равна примерно +32°С (13). Тепловая энергия и энтальпия поглощаются материалом регенерации тепла, таким как, например, алюминий или медь, и МЛИФС-аккумулятором (3). Другой МЛИФС-аккумулятор (2) не реагирует на эту температуру, поскольку он работает в другом диапазоне температур. Текучая среда, выходящая из второго выходного отверстия (44) вихревой трубы, имеет температуру -34°С (10). Используется такая же конструкция, как и на другой стороне вихревой трубы, за исключением того, что материал МЛИФС-аккумулятора (2) изменяет свое состояние с жидкого на твердое благодаря действию холодной текучей среды (10). При этом температура текучей среды повышается с -34°С до +10°С. МЛИФС-аккумулятор (2) высвободил тепловую энергию, которая была накоплена в предыдущем цикле. Другой МЛИФС-аккумулятор (3) в этом случае не реагирует, поскольку его фазовый переход происходит в другом температурном диапазоне. В изобретении используется изменение состояния МЛИФС при циклическом обращении процесса, например, между твердой и жидкой фазами (скрытая теплота плавления). Энергия, используемая для фазовых переходов материала, называется скрытой теплотой. В изобретении используется (поглощается) тепло для одновременного осуществления двух фазовых переходов: например, на первом выходном отверстии (42) вихревой трубы (6-8) из твердой в жидкую фазу (2) и на втором выходном отверстии (44) вихревой трубы (6-8) из жидкой в твердую фазу (3). Кроме того, в изобретении с выгодой используется фазовый переход влаги при ее конденсации на поверхности теплообменника (1а, 1b) и испарении. В результате обеспечивается высокая эффективность работы предлагаемого в изобретении устройства. Когда происходят фазовые превращения, направления потоков через теплообменники (1) изменяются на противоположные. При этом также должны быть изменены направления потоков (10, 12) вихревой трубы (6-8). Такие изменения могут быть обеспечены, например, путем направления потока текучей среды в теплообменник (1) с помощью клапана, трубопровода или отклоняющей пластины (см. пунктирную стрелку 56) или путем использования нескольких различных вихревых труб (7, 8), которые включаются циклически (когда одна труба работает, другая отключена, и наоборот), или же одна вихревая труба (7) может поворачиваться каждый раз на 180°, как показано стрелкой 14. В обращенном процессе высвобождается столько же энергии, сколько было поглощено в предыдущем цикле.
Поскольку фазовый переход материала (скрытая теплота) требует значительно больше энергии, чем нагревание или охлаждение, то целью изобретения является обеспечение работы устройства как можно ближе к точке фазового перехода. Иными словами, в предлагаемом в изобретении устройстве добиваются, чтобы МЛИФС-аккумулятор (2, 3) изменял свое состояние как можно большее число раз за определенный промежуток времени.
Если разница температур воздуха/газа/текучей среды внутри и вне помещения достаточна для обеспечения фазового перехода материала, вихревая труба (6-8) отключается.
С другой стороны, использование вихревой трубы (6-8) дает возможность использовать изобретение, когда разница температур внутри и вне помещения недостаточна для осуществления фазового превращения или же использование разницы температур не является целью. В этом случае текучая среда циркулирует внутри устройства, где она нагревается/охлаждается. Что касается воздуха, то вентиляция отсутствует, целью изобретения является только нагрев/охлаждение.
Хотя выше были продемонстрированы, описаны и отмечены основные признаки изобретения, обладающие новизной, на примере предпочтительных вариантов, однако ясно, что специалистами в данной области техники могут быть осуществлены различные исключения, замены и изменения элементов описанных устройств и способов без выхода за пределы объема изобретения. Например, совершенно ясно, что все сочетания элементов и/или стадий способов, которые выполняют практически одну и ту же функцию практически одинаковым образом для достижения одного и того же результата, находятся в рамках объема изобретения. Кроме того, необходимо отметить, что структуры, и/или элементы, и/или стадии способов, указанные и/или описанные в связи с любой раскрытой формой или вариантом осуществления изобретения, могут быть включены в любую другую раскрытую, описанную или предполагаемую форму, обеспечивая различные варианты осуществления изобретения. Поэтому изобретение ограничивается только объемом формулы, прилагаемой к описанию. Далее, пункты формулы, содержащие описание средств вместе с функциями, предназначаются для охвата описанных в них конструкций как выполняющих указанные функции, и не только конструктивных эквивалентов, но также и эквивалентных конструкций. Таким образом, хотя гвоздь и шуруп могут не быть конструктивными эквивалентами, поскольку в гвозде для скрепления деревянных частей используется цилиндрическая поверхность, а в шурупе для этой цели используется винтовая поверхность, однако в смысле скрепления деревянных частей гвоздь и шуруп могут быть эквивалентными конструкциями.
1. Теплообменное устройство, в котором используется материал с легко изменяющимися фазовыми состояниями ("МЛИФС-устройство"), содержащее: по меньшей мере, первый и второй теплообменные модули, выполненные с возможностью пропускать через них потоки текучей среды, причем направления потоков текучей среды внутри каждого модуля циклически изменяются на противоположные, и при этом направления текучей среды в модулях все время остаются взаимно противоположными, по меньшей мере один из указанных двух теплообменных модулей содержит аккумулятор, в котором используется материал с легко изменяющимися фазовыми состояниями ("МЛИФС-аккумулятор"); вихревую трубу, имеющую входное отверстие, первое выходное отверстие, второе выходное отверстие и камеру, которая непроницаема для текучей среды и в которой размещена вихревая труба, причем выходные отверстия вихревой трубы сообщаются с первым теплообменным модулем, вторым теплообменным модулем или внешним теплообменным устройством.
2. Теплообменное МЛИФС-устройство по п.1, в котором вихревая труба выполнена с возможностью отключаться, если разница температур потоков текучей среды, поступающих в устройство и выходящих из него, достаточна для обеспечения работы МЛИФС-аккумулятора.
3. Теплообменное МЛИФС-устройство по п.1, в котором несколько соответствующих модулей снабжены циклически работающими МЛИФС-аккумуляторами.
4. Теплообменное МЛИФС-устройство по п.3, в котором, по меньшей мере, некоторые аккумуляторы работают в разных диапазонах температур.
5. Теплообменное МЛИФС-устройство по п.1, в котором теплообменный МЛИФС-модуль выполнен с возможностью работы в одном из следующих объектов: здание, транспортное средство, подводная лодка, летательный аппарат, транспортный контейнер, компьютер, криогенное устройство, космические технологии, и устройство, в котором диоксид углерода используется в закритическом цикле.
6. Теплообменное устройство, содержащее, по меньшей мере, одну вихревую трубу, имеющую входное отверстие, первое выходное отверстие и второе выходное отверстие, причем вихревая труба установлена в камере, непроницаемой для текучей среды, так чтобы первый поток текучей среды из первого выходного отверстия вихревой трубы проходил возле МЛИФС-аккумулятора, размещенного внутри первого теплообменного модуля, в то время как поток текучей среды из второго выходного отверстия вихревой трубы направлялся в противоположном направлении, в направлении второго теплообменного модуля.
7. Устройство по п.6, в котором поток из второго выходного отверстия вихревой трубы выводят из устройства.
8. Устройство по п.6, содержащее дополнительно, по меньшей мере, второй МЛИФС-аккумулятор, который размещен во втором теплообменном модуле, и в котором первый поток текучей среды из первого выходного отверстия вихревой трубы поочередно направляется в МЛИФС-аккумулятор в первом теплообменном модуле и затем в МЛИФС-аккумулятор во втором теплообменном модуле.
9. Устройство по п.8, в котором периодически изменяющийся поток текучей среды из первого выходного отверстия вихревой трубы поочередно устанавливается относительно МЛИФС-аккумуляторов в первом и втором теплообменных модулях с помощью трубопроводов или пластин, соединенных с первым выходным отверстием вихревой трубы.
10. Устройство по п.8, в котором периодически изменяющийся поток текучей среды из первого выходного отверстия вихревой трубы устанавливается относительно МЛИФС-аккумуляторов в первом и втором теплообменных модулях периодическим поворотом вихревой трубы на 180°.
11. Устройство по п.8, содержащее дополнительно вторую вихревую трубу, размещенную в камере, непроницаемой для текучей среды, так чтобы первый поток текучей среды из первого выходного отверстия второй вихревой трубы проходил МЛИФС-аккумулятор, соединенный со вторым теплообменным модулем, и при этом первая и вторая вихревые трубы циклически включаются и выключаются, чтобы только один поток текучей среды вихревой трубы выходил из первого выходного отверстия в любой заданный момент времени.
12. Устройство по п.6, в котором в качестве первого и второго теплообменных модулей используется один поворотный регенеративный теплообменный модуль, расположенный между теплым и холодным потоками текучей среды, так что направление потока текучей среды не изменяется периодически на противоположное, и первый поток текучей среды из первого выходного отверстия вихревой трубы проходит через МЛИФС-аккумулятор при повороте регенеративного теплообменного модуля.
