Способ и устройство для теплопередачи
Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для передачи большого количества теплоты при малых перепадах (градиентах) температуры на большие расстояния. Технический результат заключается в сокращении продолжительности цикла и перерывов в передаче теплоты. Предложено устройство теплопередачи, содержащее: емкость испарителя, источник теплоты, трубопровод, конденсатор, средство контроля, выполненное с возможностью обеспечения доступа парообразной фазы в накопительную емкость, определения уровня текучей среды в накопительной емкости, прекращения доступа парообразной фазы, определения уровня жидкой фазы, обеспечения попеременного направления жидкой фазы из конденсатора в накопительные емкости. 2 н. и 28 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для передачи большого количества тепловой энергии при малых перепадах (градиентах) температуры на большие расстояния, в частности, может быть использовано для передачи значительных потоков теплоты от устройства к устройству, например, для передачи тепловой мощности до 100 кВт и более на расстояния от 10 м до 1 км и более без использования насосов для перекачивания теплоносителя.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области техники имеется необходимость передачи значительных потоков теплоты, порядка сотен киловатт от источника к потребителю теплоты, находящемуся на значительном расстоянии, порядка десятков метров и до 1 км. Более того, в условиях повышенной искроопасной и пожароопасной окружающей среды необходимо максимально разнести в пространстве источник получения теплоты, в котором теплоту получают посредством сжигания топлива, и потребителя теплоты, находящегося в условиях повышенной искроопасной и пожароопасной окружающей среды. В области техники известны способы передачи теплоты, основанные на использовании тепловых труб.
В наиболее близком аналоге RU 2017122049 предложен способ теплопередачи, в котором: с помощью источника тепловой энергии осуществляют нагрев по меньшей мере одной или более емкости (1) испарителя, заполненной многокомпонентной первой текучей средой, находящейся в жидкой фазе и второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе, причем первый компонент многокомпонентной первой текучей среды переходит в парообразную фазу при температуре меньшей, чем температура перехода в парообразную фазу второго компонента многокомпонентной первой текучей среды,
при этом нагревание вызывает испарение первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и повышение давления в емкости (1) испарителя с образованием парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды, и перемещение под действием повышенного давления в емкости испарителя (1) парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе из емкости испарителя по трубопроводу (2) в один или более конденсатор (3), в котором обеспечивают конденсацию парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды с отдачей тепловой энергии приемнику тепловой энергии и переход парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды в жидкую фазу первой текучей среды;
под действием повышенного давления в емкости (1) испарителя обеспечивают:
а) перемещение жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе из одного или более конденсатора (3) по трубопроводу (4) в одну или более накопительную емкость (5), расположенную выше емкости (1) испарителя, при этом одна или более накопительная емкость (5) соединена с одной или более емкостью (1) испарителя одним или более возвратным трубопроводом (6), на котором установлено запорное устройство (7);
б) накопление жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также газообразной фазы второй текучей среды в одной или более накопительной емкости (5);
при достижении заданного уровня жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды в одной или более накопительной емкости (5) обеспечивают доступ парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя в накопительную емкость (5) по одному или более возвратному трубопроводу (6) с помощью запорного устройства (7), что приводит к повышению давления в накопительной емкости (5) до значения, при котором высота столба жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды в одном или более возвратном трубопроводе (6) и накопительной емкости (5), обеспечивает перетекание жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды из накопительной емкости (5) в емкость испарителя (1);
прекращают доступ парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя в накопительную емкость (5) по одному или более возвратному трубопроводу (6) с помощью запорного устройства (7).
Вышеуказанный аналог имеет ряд недостатков и ограничений в использовании. В такой системе при повышении давления в накопительной емкости и при доступе пара в нее из испарительной емкости, конденсат их конденсатора перестает поступать в накопительную емкость, в результате чего происходит накопление конденсата в конденсаторе и снижение площади конденсационной поверхности, что в свою очередь снижает отдачу тепловой энергии потребителю теплоты и повышению температуры и давления во всей системе, что снижает надежность системы, и предъявляет повышенные требования к соединениям в системе и снижает эффективность теплопередачи.
В наиболее близком аналоге была предложена дополнительная емкость конденсатора, для того, чтобы в ней накапливать излишки конденсата, однако это не решает задачу цикличного поступления жидкой среды из накопительной емкости в емкость испарителя.
С целью преодоления вышеуказанных недостатков предложен новый способ теплопередачи, имеющий две накопительные емкости, подключаемые к испарительной емкости попеременно, при этом в то время, когда сливается конденсат из одной накопительной емкости в емкость испарителя, конденсат из конденсатора поступает в другую накопительную емкость, в результате чего процесс теплопередачи не прекращается.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
На фиг. 1 представлен вариант осуществления устройства теплопередачи, в котором одна или более емкость (1) испарителя соединена с по меньшей мере двумя накопительными емкостями (5; 5') посредством обратного трубопровода (6), с использованием трехходового клапана 7'', обеспечивающего возможность доступа парообразной и газообразной текучей среды из емкости испарителя.
На фиг. 2 представлен вариант осуществления устройства теплопередачи, в котором одна или более емкость (1) испарителя соединена с по меньшей мере двумя накопительными емкостями (5, 5') посредством обратного трубопровода (6), представляющего собой комбинированный трубопровод, в котором паровая фаза и жидкая фаза поступает по раздельным трубопроводам.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с заявленным изобретением предложен способ теплопередачи и устройство, реализующее заявленный способ. Устройство теплопередачи, представленное на фиг. 1, содержит одну или более емкость (1) испарителя, к которой подводится теплота, посредством источника теп, причем емкость (1) заполнена многокомпонентной первой текучей средой, находящейся в жидкой фазе, причем первый компонент многокомпонентной первой текучей среды переходит в парообразную фазу при температуре меньшей, чем температура перехода в парообразную фазу второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, или второй компонент представляет собой не кипящую текучую среду.
В качестве первого компонента текучей среды, находящейся в жидкой фазе используют воду, спирт, эфиры, фреоны, ацетон или их смеси.
В качестве второго компонента первой текучей среды, находящейся в жидкой фазе, имеющих высокую температуры перехода в парообразную фазу, по сравнению с первым компонентом, используют этиленгликоль, диэтиленглиголь, триэтиленгликоль, глицерин, либо масла или растворы солей.
Емкость (1) испарителя соединена с конденсатором (3) трубопроводом (2), конденсатор (3) соединен по меньшей мере с двумя накопительными емкостями (5; 5'') трубопроводом (4).
В качестве второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе используют воздух, углекислый газ, азот, гелий, водород.
В качестве емкости (1) испарителя может выступать резервуар, выполненный в форме многогранника, тела вращения или их комбинации, а также в форме змеевика или группы змеевиков. Также могут быть использованы несколько емкостей испарителя, например, в виде нескольких резервуаров, соединенных между собой соответствующими каналами для перемещения текучих сред.
После заполнения емкости испарителя многокомпонентной первой текучей средой в жидкой фазе и заполнения трубопровода (2), конденсатора (3), трубопровода (4) и накопительной емкости (5) второй текучей средой, находящейся в газообразной фазе, к емкости (1) испарителя подводят тепло посредством сжигания топлива, нагрева с помощью электрических источников, теплом уходящих газов от турбогенераторов, сбросным теплом теплоэнергетических установок и технологических установок, солнечной и геотермальными источниками тепла или их комбинации. Также нагрев может быть осуществлен любым другим способом, известным из уровня техники.
Во время нагревания емкости (1) испарителя происходит испарение первого компонента первой текучей среды, находящейся в жидкой фазе, и переход жидкой фазы первого компонента текучей среды в парообразную фазу текучей среды. Причем, переход жидкой фазы первого компонента текучей среды в парообразную фазу происходит раньше, чем переход жидкой фазы второго компонента текучей среды в парообразную фазу. При испарении первого компонента жидкой фазы первой текучей среды и повышении давления в емкости испарителя (1) парообразная фаза первого компонента первой текучей среды смешивается с многокомпонентной первой текучей средой в жидкой фазе, находящейся в емкости 1 испарителя посредством трубопровода 8. Подмешивание осуществляется посредством использования запорного устройства 7', установленного на трубопроводе 2.
Смесь парообразной фазы первого компонента первой текучей среды и жидкой фазы многокомпонентной первой текучей среды и вторая текучая среда в газообразной фазе перемещаются в конденсатор (3) по трубопроводу (2). Трубопровод (2) соединяет емкость (1) испарителя с конденсатором (3) и обеспечивает перемещение по нему смеси первой и второй текучих сред. Длина парового трубопровода составляет от 10 м до более чем 1 км. Давление в испарителе при переходе жидкой фазы первого компонента первой текучей среды в парообразную фазу больше давления в накопительной емкости на 1-10 атмосфер и более. Трубопровод (2) может быть реализован посредством нескольких трубопроводов, соединенных между собой каналами для прохождения текучей среды.
Смесь парообразной фазы первого компонента первой многокомпонентной текучей среды и второй текучей среды в газообразной фазе поступает в конденсатор, где она охлаждается до температуры насыщения и отдает тепло приемнику тепловой энергии, после конденсации парообразная фаза первого компонента многокомпонентной первой текучей среды переходит в сконденсированную жидкую фазу первого компонента многокомпонентной первой текучей среды. Конденсатор может представлять собой смешивающий конденсатор, либо поверхностный конденсатор, или их комбинации. В частности, конденсатор может представлять собой трубный пучок, состоящий из нескольких змеевиков. Верхние трубы змеевиков соединены с трубопроводом (2), а нижние - с трубопроводом (4).
Сконденсированная жидкая фаза первого компонента многокомпонентной первой текучей среды, жидкая фаза многокомпонентной первой текучей среды и вторая текучая среда в газообразной фазе выходят из конденсатора (3) под действием повышенного давления в емкости испарителя и поступают в трубопровод (4), соединенный по меньшей мере с двумя накопительными емкостями (5, 5''), в которых происходит накопление сконденсированной жидкой фазы многокомпонентной первой текучей среды и второй текучей среды в газообразной фазе, с повышением давления.
Длина каждого из трубопровода (2), конденсатора (3), трубопровода (4), составляет от 10 м до более 1 км. Также возможен вариант, в котором трубопровод (2), конденсатор (3), трубопровод (4) представляют собой единый трубопровод с одинаковым поперечным сечением, либо множество трубопроводов с различными поперечными сечениями, причем трубопроводы соединены последовательно или параллельно. Возможен также вариант, в соответствии с которым единый трубопровод представляет собой коаксиальную трубчатую конструкцию, разделенную по меньшей мере одним теплоизолирующим слоем. Причем парообразная фаза текучей среды подается по внешнему кольцевому пространству, а сконденсированная жидкая фаза текучей среды возвращаются по внутреннему кольцевому пространству, либо наоборот подача осуществляется по внутреннему кольцевому пространству, а возврат осуществляется по внешнему кольцевому пространству. В частном случае длина единого трубопровода, составляет 70 м.
Накопительная емкость (5; 5') может представлять собой резервуар, выполненный в форме многогранника, тела вращения или их комбинации. Также накопительная емкость может быть выполнена в виде нескольких резервуаров, соединенных между собой соответствующими каналами для перемещения текучих сред.
Изменение уровня текучей среды в накопительной емкости можно отслеживать с помощью датчика уровня жидкости, или любым другим средством контроля уровня жидкости, известным из уровня техники. Средство контроля уровня жидкости может быть дополнительно выполнено с возможностью управления открытия/закрытия запорного устройства (7; 7'; 7''), а также с возможностью контроля/отслеживания уровня жидкости в емкости (1) испарителя.
По мере заполнения накопительной емкости сконденсированной жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и жидкой фазы многокомпонентной первой текучей среды давление в накопительной емкости повышается со снижением объема, занимаемого второй текучей средой в газообразной фазе и повышением давления в конденсаторе и испарительной емкости.
Средство контроля также определяет уровень жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды в первой накопительной емкости (5) и при достижении заданного уровня и давления в накопительной емкости (5') ниже чем в конденсаторе, дает сигнал запорному средству (7) на перенаправление жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе из одного или более конденсатора (3) во вторую накопительную емкость (5'). В результате, поток жидкой текучей среды попеременно направляется из конденсатора в первую накопительную емкость 5, а затем во вторую накопительную емкость 5' с помощью запорного средства (7; 7').
После достижения заданного уровня текучей среды в первой накопительной емкости (5) средство контроля открывает доступ парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя в первую накопительную емкость (5) с помощью запорного средства (7'').
Так как давление в испарительной емкости будет выше, чем давление в накопительной емкости, при открытии запорного устройства парообразная фаза первого компонента многокомпонентной первой текучей среды будет перемещаться из емкости испарителя в накопительную емкость для выравнивания давления в емкостях. После выравнивания давления в емкостях жидкая фаза многокомпонентной первой текучей среды начнет перетекать из накопительной емкости (5) в емкость испарителя (1).
Необходимо поддерживать уровень первой многокомпонентной текучей среды в емкости (1) испарителя на заданном уровне во время перетекания жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды посредством регулирования расхода жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, поступающих в емкость (1) испарителя, например, с помощью регулирования проходного сечения запорного средства 7'' и одновременного отслеживания уровня текучей среды в испарительной емкости. Такое дозированное поступление текучей среды обеспечивает постоянную температуру и уровень текучей среды в испарительной емкости. Иными словами, в этом случае накопительные емкости 5, 5' будут являться подпитывающими емкостями с регулированием расхода конденсата, вытекающего из них. Такой подход позволит обеспечить более стабильную температуру в испарительной емкости и давление пара. В наиболее близком аналоге при достижении заданного уровня вся текучая среда из накопительной емкости сразу сливалась в емкость испарителя, что приводило к снижению температуры и прекращению испарения, и, следовательно, появлялась цикличность в подаче тепла потребителю.
Во время перетекания жидкой среды из накопительной емкости (5) в емкость испарителя средство контроля определяет уровень первой многокомпонентной текучей среды в первой накопительной емкости (5) и при достижении заранее заданного уровня и давления в накопительной емкости (5') ниже чем в конденсаторе прекращает доступ парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя в первую накопительную емкость (5) с помощью запорного средства (7'').
Средство контроля также отслеживает уровень жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды во второй накопительной емкости (5') и при достижении заданного уровня и давления в накопительной емкости (5') ниже чем в конденсаторе обеспечивает направление жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе из одного или более конденсатора (3) в первую накопительную емкость (5), вместо уже заполненной второй накопительной емкости (5').
Затем средство контроля дает сигнал запорному средству (7'') на доступ парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя во вторую накопительную емкость (5'), что приводит к перетеканию жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды из второй накопительной емкости (5') в емкость испарителя (1), причем при перетекании средство контроля отслеживает уровень первой многокомпонентной текучей среды во второй накопительной емкости (5') и при достижении заранее заданного уровня прекращают доступ парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя в вторую накопительную емкость (5').
Во время поступления парообразной фазы в накопительную емкость и выравнивания давления в емкостях, поступающая парообразная фаза первого компонента первой текучей среды будет конденсироваться на поверхности жидкой фазы многокомпонентной текучей среды в накопительной емкости, а также на стенках накопительной емкости, которые имеют температуру ниже, чем температура поступающей в накопительную емкость парообразной фазы первого компонента первой текучей среды из емкости испарителя, что приведет к снижению давления в накопительной емкости и замедлению слива накопленной жидкой фазы многокомпонентной текучей среды в накопительной емкости, и не позволит обеспечить необходимую непрерывную подачу теплоты к потребителю теплоты.
Более того, во время открытия доступа парообразной фазы первого компонента первой текучей среды в накопительную емкость с выравниванием давления в накопительной емкости и емкости испарителя, процесс конденсации в конденсаторе будет продолжаться, и сконденсированная жидкость не будет проходить в накопительную емкость и будет накапливаться в конденсаторе, что приведет к сокращению его внутреннего объема и соответственно площади поверхности конденсации, со снижением эффективности теплопередачи.
Наличие второй текучей среды в газообразной фазе в накопительной емкости будет препятствовать конденсации парообразной фазы на стенках накопительной емкости и на поверхности сконденсированной жидкой фазы многокомпонентной текучей среды в накопительной емкости за счет низкого коэффициента диффузии между газом и паровой фазой текучей среды, что способствует повышению давления в накопительной емкости и ускорению скорости слива жидкой фазы многокомпонентной текучей среды в накопительной емкости в период перемещения парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости испарителя (5) в накопительную емкость(1) для выравнивания давления в емкостях.
Коэффициент диффузии зависит от давления и температуры:
K=k0*Р0/Р*(Т/Т0)1,5
, где
Р - давление
Т - температура
При давлении равном 1 кг/см2 и температуре 150С коэффициент диффузии водяной пар-воздух равен 0,26 см2/сек.
При использовании в качестве второй текучей среды в газообразной фазе углекислого газа коэффициент диффузии равен 0,14 см2/сек, т.е. скорость конденсации снижается почти в 2 раза.
Отсутствие газа в накопительной емкости приведет к высокой диффузии, и во время поступления паровой фазы первого компонента первой текучей среды из емкости испарителя значительно увеличит время слива. Во время слива текучей среды из накопительной емкости при отсутствии газа в ней давление в накопительной емкости будет повышаться только после того, как выровняются температуры в накопительной емкости и емкости испарителя. Также поступающая из емкости испарителя парообразная фаза первого компонента первой текучей среды будет интенсивно конденсироваться и не давать сливающейся жидкой текучей среды быстро сливаться.
При конденсации пара выделяется теплота, которая распространяется путем теплопередачи на стенки накопительной емкости и в толщу жидкой текучей среды в накопительной емкости. Стенки накопительной емкости должны иметь минимальную толщину и минимальную аккумулирующую емкость тепловой энергии. Тепловой поток при конденсации пара на поверхности жидкой текучей среды в накопительной емкости через поверхность определяют из следующей зависимости:
G=α(tk-tвн), где tk температура конденсации, tвн температура внутри объема жидкости, α коэффициент теплопередачи при конденсации.
Коэффициент α теплопередачи при конденсации зависит от теплопроводности жидкости, находящейся в накопительной емкости. В конкретном случае при добавлении в воду этиленгликоля коэффициент теплопроводности получившейся смеси воды и этиленгликоля будет ниже, чем у воды. У воды λ=0,599 Вт/м*к, у этиленгликоля λ=0,25 Вт/м*к при нормальных условиях. При температуре 100°С у воды λ=0,683 Вт/м*к, у этиленгликоля λ=0,26 Вт/м*к.
Таким образом добавление этиленгликоля снижает интенсивность конденсации и способствует быстрому сливу накопленной жидкой текучей среды из накопительной емкости в емкость испарителя.
Исходя из указанного выше следует, что вторая текучая среда, находящаяся в газообразной фазе, должна быть выбрана с характеристиками, препятствующими конденсации парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды, поступающей из испарительной емкости, на стенках накопительной емкости и на поверхности жидкой фазы жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды в накопительной емкости, в частности необходимо выбирать газ, имеющий наиболее низкий коэффициент диффузии.
При этом, первая текучая среда должна быть выбрана с характеристиками, препятствующими передаче тепловой энергии от парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды, поступающей из испарительной емкости, к жидкой фазе первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды в накопительной емкости, а именно жидкая фаза должна иметь наименьший коэффициент теплопроводности.
Тепловая энергия передается за счет испарения жидкой текучей среды в испарительной емкости и конденсации парообразной фазы жидкой текучей среды в конденсаторе используя теплоту фазового перехода. Максимальную теплоту испарения из жидкостей имеет вода. Однако ее использование в условиях Крайнего Севера при низких температурах может привести к разрушению конструкционных узлов и трубопроводов при замерзании. Для предотвращения замерзания в воду в испарительной емкости добавляют антифризные добавки (соли, гликоли, глицерин и т.д.) с температурой перехода в парообразную фазу значительно выше, и имеющие теплопроводность ниже, чем у воды.
В конкретном варианте осуществления при кипении воды в емкости испарителя, вода, имеющая более низкую температуру кипения, чем этиленгликоль, имеющий также более низкий коэффициент теплопроводности, будет испаряться, и водяной пар будет поступать по трубопроводу 2 в конденсатор 3. На трубопроводе 2 устанавливают запорное устройство 7''', предназначенное для подмешивания смеси воды и этиленгликоля через трубопровод 8 к водяному пару. В этом случае водяной пар будет также содержать этиленгликоль, и под действием повышенного давления в емкости испарителя, смесь водяного пара и этиленгликоля будет перемещаться сначала в конденсатор 3, и затем этиленгликоль совместно со сконденсированной водой из конденсатора по трубопроводу 4 будет перемещаться в первую накопительную емкость 5.
При достижении заданного уровня смеси воды и этиленгликоля в первой накопительной емкости (5), средство контроля перекрывает доступ конденсата в первую накопительную емкость и направляет его для накопления во вторую накопительную емкость (5').
Средство контроля открывает доступ водяного пара из емкости испарителя в первую накопительную емкость (5) по возвратному трубопроводу 6 с помощью запорного устройства (7''). Водяной пар поступает в первую накопительную емкость (5) через возвратный трубопровод 6, и благодаря наличию в первой накопительной емкости 5 воздуха, имеющего низкий коэффициент диффузии, водяной пар будет с меньшей интенсивностью конденсироваться на стенках накопительной емкости и на поверхности воды.
Тепловой поток, поступающий вместе с водяным паром из емкости испарителя (1), не будет быстро поглощаться смесью воды и этиленгликоля, ввиду низкой теплопроводности смеси.
В одном варианте осуществления на фиг. 2 возвратный трубопровод (6) представляет собой комбинированный трубопровод, содержащий линию 6 жидкой фазы и линию 6' парообразной фазы. В этом случае по линии 6 жидкой фазы сливается смесь воды и этиленгликоля из накопительной емкости в емкость испарителя, а водяной пар поступает по линии 6' парообразной фазы из емкости 1 испарителя в накопительную емкость.
После того как вторая накопительная емкость 5' наполнилась до заданного уровня средство контроля снова направляет конденсат в первую накопительную емкость 5 для накопления, и закрывает доступ конденсата во вторую накопительную емкость 5''. Затем производят доступ пара из емкости испарителя во вторую накопительную емкость (5'') и обеспечивают слив конденсата в емкость испарителя.
Во время слива конденсата из накопительных емкостей 5, 5' скорость слива можно регулировать посредством трехходового клапана 7'' имеющего регулируемое проходное сечение с одновременным отслеживанием и поддержанием уровня жидкости в емкости испарителя, что позволит исключить резкое снижение температуры в емкости испарителя в результате быстрого поступления охлажденного конденсата из накопительных емкостей в емкость испарителя, и перерывы в теплопередаче.
В одном возможном варианте осуществления средство контроля задает заранее заданную задержку для снижения давления в той из накопительных емкостей (5; 5'), в которую будет направляться жидкая фаза первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе из одного или более конденсатора (3).
Эта заранее заданная задержка предназначена для того, чтобы остатки парообразной фазы сконденсировались в накопительной емкости и давление в ней снизилось до значения ниже, чем давление в конденсаторе, и при переключении поступления жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе из одного или более конденсатора (3) из одной в другую из накопительных емкостей (5, 5') не будет иметь место эффект противодавления, который иначе имел бы место, если бы такая задержка при переключении отсутствовала, и давление в накопительной емкости (5, 5') было бы равным давлению в емкости испарителя, что привело бы к кратковременной остановке движения смеси парообразной фазы и жидкой фазы в контуре при передаче теплоты.
Также использование этиленгликоля, имеющего характеристики антифриза, позволит значительно расширить применение заявленного изобретения в условиях Крайнего Севера с низкими температурами.
Предложенное изобретение позволит обеспечить непрерывный перенос тепла от источника нагрева к удаленно установленному приемнику теплоту, более того, в настоящем изобретении возврат сконденсированной текучей среды будет возможен без учета того, обеспечен ли переход всей второй текучей среды из жидкой фазы в газообразную фазу в емкости испарителя, исключает использование предложенной системы только в циклическом режиме, а также позволит избежать необходимости наличия дополнительной емкости конденсатора, для накопления излишков конденсата во время слива конденсата, и обеспечивает возможность непрерывной подачи теплоты к потребителю теплоты.
Заявленное изобретение найдет применение в условиях Крайнего Севера при добыче углеводородов, а также в системах отопления, без использования электричества, необходимого для работы циркуляционного насоса, перекачивающего текучую среду по отопительному контуру, а также когда необходимо обеспечить сжигание доступных углеводородов на значительном расстоянии от потребителя тепла, находящегося в условиях повышенной искропожароопасной окружающей среды, например, на буровой площадке, либо для передачи тепла в подземное пространство.
1. Способ теплопередачи, в котором:
обеспечивают наличие в емкости (1) испарителя первой многокомпонентной текучей среды, находящейся в жидкой фазе, и второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе;
обеспечивают испарение первого компонента многокомпонентной первой текучей среды с образованием парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды, с поглощением тепловой энергии и повышением давления в емкости (1) испарителя;
обеспечивают перемещение парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды в конденсатор (3) с отдачей тепловой энергии и снижением давления с переходом парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды в жидкую фазу первой текучей среды;
обеспечивают перемещение из одного или более конденсатора (3) жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды в первую накопительную емкость (5) из по меньшей мере двух накопительных емкостей (5, 5'), расположенных выше емкости испарителя;
определяют уровень жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды в первой накопительной емкости (5) и при достижении заданного уровня в первой накопительной емкости (5) и давления в накопительной емкости (5') ниже, чем в конденсаторе, направляют жидкую фазу первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе, из одного или более конденсатора (3) во вторую накопительную емкость (5');
обеспечивают доступ парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя в первую накопительную емкость (5), что приводит к перетеканию жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды из первой накопительной емкости (5) в емкость испарителя (1);
определяют уровень первой многокомпонентной текучей среды в первой накопительной емкости (5) и при достижении заранее заданного уровня прекращают доступ парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя в первую накопительную емкость (5);
определяют уровень жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды во второй накопительной емкости (5') и при достижении заданного уровня во второй накопительной емкости (5') и давления в накопительной емкости (5) ниже, чем в конденсаторе, направляют жидкую фазу первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе, из одного или более конденсатора (3) в первую накопительную емкость (5);
обеспечивают доступ парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя во вторую накопительную емкость (5'), что приводит к перетеканию жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды из второй накопительной емкости (5') в емкость испарителя (1);
определяют уровень первой многокомпонентной текучей среды во второй накопительной емкости (5') и при достижении заранее заданного уровня прекращают доступ парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя во вторую накопительную емкость (5').
2. Способ по п. 1, в котором первая текучая среда выбрана с характеристиками, препятствующими передаче тепловой энергии от парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды, поступающей из испарительной емкости (1), к жидкой фазе первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды в накопительной емкости.
3. Способ по п. 1, в котором вторая текучая среда, находящаяся в газообразной фазе, выбрана с характеристиками, препятствующими конденсации парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды, поступающей из испарительной емкости (1), на стенках накопительной емкости и на поверхности жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды в накопительной емкости.
4. Способ по п. 1, в котором первый компонент многокомпонентный первой текучей среды, находящейся в жидкой фазе, представляет собой воду, спирт, эфиры, фреоны, ацетон или их смеси.
5. Способ по п. 1, в котором второй компонент многокомпонентный текучей среды, находящейся в жидкой фазе, представляет собой этиленгликоль, диэтиленглиголь, триэтиленгликоль, глицерин, масла, растворы солей.
6. Способ по п. 1, в котором доступ парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя в накопительную емкость (5; 5') осуществляют по меньшей мере по одному возвратному трубопроводу (6), представляющему собой комбинированный трубопровод, содержащий линию жидкой фазы текучей среды и линию парообразной фазы текучей среды.
7. Способ по п. 6, в котором линия жидкой фазы текучей среды предназначена для возврата многокомпонентной первой текучей среды, находящейся в жидкой фазе, а линия парообразной фазы текучей среды предназначена для поступления парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости испарителя.
8. Способ по п. 1, в котором направляют жидкую фазу первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе, из одного или более конденсатора (3) в накопительную емкость (5; 5') посредством по меньшей мере одного запорного средства (7; 7'), представляющего собой одно выбранное из группы, содержащей: клапан, управляемый вручную; клапан, управляемый автоматически; обратный клапан.
9. Способ по п. 1, в котором обеспечивают доступ парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя в накопительную емкость (5; 5') посредством по меньшей мере одного запорного средства (7''), представляющего собой одно выбранное из группы, содержащей: клапан, управляемый вручную; клапан, управляемый автоматически; обратный клапан.
10. Способ по п. 8 или 9, в котором клапан, управляемый автоматически, представляет собой привод от поплавка, расположенного в накопительной емкости (5, 5').
11. Способ по п. 1, в котором поддерживают уровень первой многокомпонентной текучей среды в емкости (1) испарителя на заданном уровне во время перетекания жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды из накопительной емкости (5; 5') посредством регулирования расхода жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды.
12. Способ по п. 1, в котором уровень первой многокомпонентной текучей среды в первой накопительной емкости (5; 5') определяют с помощью датчика уровня, расположенного в накопительной емкости (5; 5') и соединенного с контроллером, управляющим регулированием расхода жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды.
13. Способ по п. 1, в котором второй компонент многокомпонентный текучей среды, находящейся в жидкой фазе, выбран со свойствами, предотвращающими замерзание многокомпонентной первой текучей средой, находящейся в жидкой фазе.
14. Способ по п. 1, в котором доступ второго компонента многокомпонентный текучей среды, находящейся в жидкой фазе, во время перемещения парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды в конденсатор (3) осуществляют посредством подмешивания первого и второго компонентов многокомпонентной текучей среды к парообразной фазе первого компонента многокомпонентной первой текучей среды.
15. Способ по п. 1, в котором обеспечивают заранее заданную задержку для снижения давления в той из накопительных емкостей (5; 5'), в которую будет направляться жидкая фаза первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе, из одного или более конденсатора (3).
16. Устройство для теплопередачи, содержащее
емкость (1) испарителя, которая заполнена первой многокомпонентной текучей средой, находящейся в жидкой фазе, и второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе;
источник теплоты, предназначенный для испарения первого компонента многокомпонентной первой текучей среды с образованием парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды, с поглощением тепловой энергии и повышением давления в емкости (1) испарителя;
трубопровод (2), предназначенный для перемещения парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды в конденсатор (3) для перехода парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды в жидкую фазу первой текучей среды, с отдачей тепловой энергии и снижением давления,
трубопровод (4), предназначенный для перемещения жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды из одного или более конденсатора (3) в первую накопительную емкость (5) из по меньшей мере двух накопительных емкостей (5, 5'), расположенных выше емкости (1) испарителя;
средство контроля, предназначенное для определения уровня жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды в первой накопительной емкости (5), и при достижении заданного уровня в первой накопительной емкости (5) и давления во второй накопительной емкости (5') ниже, чем в конденсаторе, обеспечения направления жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе, из одного или более конденсатора (3) во вторую накопительную емкость (5') посредством по меньшей мере одного запорного средства (7);
при этом средство контроля выполнено с возможностью обеспечения доступа парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя в первую накопительную емкость (5) с помощью запорного средства (7''), что приводит к перетеканию жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды из первой накопительной емкости (5) в емкость испарителя (1);
причем средство контроля выполнено с возможностью определения уровня первой многокомпонентной текучей среды в первой накопительной емкости (5) и при достижении заранее заданного уровня прекращения доступа парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя в первую накопительную емкость (5) с помощью запорного средства (7''),
причем средство контроля выполнено с возможностью определения уровня жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды во второй накопительной емкости (5') и при достижении заданного уровня во второй накопительной емкости (5') и давления в первой накопительной емкости (5) ниже, чем в конденсаторе, обеспечения направления жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе, из одного или более конденсатора (3) в первую накопительную емкость (5), посредством по меньшей мере одного запорного средства (7');
причем средство контроля выполнено с возможностью обеспечения доступа парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя во вторую накопительную емкость (5') с помощью запорного средства (7''), что приводит к перетеканию жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды из второй накопительной емкости (5') в емкость испарителя (1);
причем средство контроля выполнено с возможностью определения уровня первой многокомпонентной текучей среды во второй накопительной емкости (5') и при достижении заранее заданного уровня прекращения доступа парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя во вторую накопительную емкость (5') с помощью запорного средства (7'').
17. Устройство по п. 16, в котором первая текучая среда выбрана с характеристиками, препятствующими передаче тепловой энергии от парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды, поступающей из испарительной емкости (1), к жидкой фазе первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды в накопительной емкости (5, 5').
18. Устройство по п. 16, в котором вторая текучая среда, находящаяся в газообразной фазе, выбрана с характеристиками, препятствующими конденсации парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды, поступающей из испарительной емкости (1), на стенках накопительной емкости (5; 5') и на поверхности жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды в накопительной емкости.
19. Устройство по п. 16, в котором первый компонент многокомпонентный первой текучей среды, находящейся в жидкой фазе, представляет собой воду, спирт, эфиры, фреоны, ацетон или их смеси.
20. Устройство по п. 16, в котором второй компонент многокомпонентный текучей среды, находящейся в жидкой фазе, представляет собой этиленгликоль, диэтиленглиголь, триэтиленгликоль, глицерин, масла, растворы солей.
21. Устройство по п. 16, в котором доступ парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя в накопительную емкость (5; 5') осуществляют по меньшей мере одному возвратному трубопроводу (6), представляющему собой комбинированный трубопровод, содержащий линию жидкой фазы текучей среды и линию парообразной фазы текучей среды.
22. Устройство по п. 21, в котором линия жидкой фазы текучей среды предназначена для возврата многокомпонентной первой текучей среды, находящейся в жидкой фазе, а линия парообразной фазы текучей среды предназначена для поступления парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости испарителя.
23. Устройство по п. 16, в котором направляют жидкую фазу первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе, из одного или более конденсатора (3) в накопительную емкость (5; 5') посредством по меньшей мере одного запорного средства (7; 7'), представляющего собой одно выбранное из группы, содержащей: клапан, управляемый вручную; клапан, управляемый автоматически; обратный клапан.
24. Устройство по п. 16, в котором обеспечивают доступ парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды из емкости (1) испарителя в накопительную емкость (5; 5') посредством по меньшей мере одного запорного средства (7''), представляющего собой одно выбранное из группы, содержащей: клапан, управляемый вручную; клапан, управляемый автоматически; обратный клапан.
25. Устройство по п. 23 или 24, в котором клапан, управляемый автоматически, представляет собой привод от поплавка, расположенного в накопительной емкости (5, 5').
26. Устройство по п. 16, в котором поддерживают уровень первой многокомпонентной текучей среды в емкости (1) испарителя на заданном уровне во время перетекания жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды из накопительной емкости (5; 5') посредством регулирования расхода жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, поступающих в емкость (1) испарителя.
27. Устройство по п. 26, в котором уровень первой многокомпонентной текучей среды в первой накопительной емкости (5; 5') определяют с помощью датчика уровня, расположенного в накопительной емкости (5; 5') и соединенного с контроллером, управляющим регулированием расхода жидкой фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды.
28. Устройство по п. 16, в котором второй компонент многокомпонентной текучей среды, находящейся в жидкой фазе, выбран со свойствами, предотвращающими замерзание многокомпонентной первой текучей среды, находящейся в жидкой фазе.
29. Устройство по п. 16, в котором доступ второго компонента многокомпонентной текучей среды, находящейся в жидкой фазе, во время перемещения парообразной фазы первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды в конденсатор (3) осуществляют посредством подмешивания первого и второго компонентов многокомпонентной текучей среды к парообразной фазе первого компонента многокомпонентной первой текучей среды с помощью трубопровода (8).
30. Устройство по п. 16, в котором средство контроля задает заранее заданную задержку для снижения давления в той из накопительных емкостей (5; 5'), в которую будет направляться жидкая фаза первого компонента многокомпонентной первой текучей среды и второго компонента многокомпонентной первой текучей среды, а также второй текучей среды, находящейся в газообразной фазе, из одного или более конденсатора (3).
