СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА Российский патент 1997 года по МПК F28D15/02 F25J3/02 F24D7/00 

Изобретение относится к энергетике, в частности, к теплообмену между рабочими телами, и может найти широкое применение и для попутного разделения растворов на их компоненты методом возгонки без специальной затраты тепловой энергии на этот процесс.

Существуют две отрасли промышленности, в настоящее время практически не связанные между собой, но имеющие дело с большими потоками тепловой энергии. Это промышленность теплообменных аппаратов и систем отопления и промышленность по разделению различных растворов на их составляющие методом возгонки, большое место в которой занимает получение пресной воды из морской.

Суть изобретения заключается в том, чтобы процессы теплопередачи от одного рабочего тела к другому объединить с процессами разделения различных растворов на их компоненты с тем, чтобы теплоемкие процессы возгонки испаряемых компонентов растворов сделать без каких-либо расходований тепла, т.е. возгонку осуществлять идеально без ничего и каких-либо затрат энергии.

В частности, для опреснения морской воды широко используются сравнительно дешевые виды тепловой энергии. Например, в г. Шевченко построены атомные опреснительные установки, а солнечная энергия используется в самом простом дистилляторе-бассейне (рис. 6.7, стр. 126 книги Дж. Твайделла и А.Уэйра "Возобновляемые источники энергии", М. Энергоатомиздат, 1990).

В общем ученые смирились с фактом, что возгонка требует тепла, и речь может идти только об экономии этого тепла, чем они и занимались до сих пор. В подтверждение этого можно указать на альтернативный подход, заключающийся в использовании многоступенчатого дистиллятора, в котором тепло, получаемое при конденсации дистиллированной пресной воды, используется для испарения второй порции соленой воды. Тепло, выделяемое при конденсации второй порции воды, в свою очередь используется для испарения третьей порции воды и т.д. Практическое применение таких испарителей ограничено неполнотой теплопередачи вследствие сложности системы (там же, стр.128). Другим способом экономии тепловой энергии является ее трансформация в тепловых насосах и холодильниках, использующих высокопотенциальное тепло (схема на рис.7.19, стр.261 книги А. И. Андрющенко "Основы термодинамических циклов теплоэнергетических установок", М. Высшая школа, 1985). Так, предлагается (там же, c.263) по этой схеме изготовлять пароструйные термотрансформаторы для опреснения морской воды в жарких районах страны путем ее выпара. В этом случае испарителем служит сосуд с морской водой, где под вакуумом происходит ее испарение за счет теплоты окружающей среды. Вакуум в испарителе создается пароструйным эжектором, работающим на паре повышенного давления из отбора турбины или на остром паре из котла.

В случае с солнечным многоступенчатым дистиллятором-бассейном ученые практически вплотную подошли к идеальному решению проблемы энергии для процесса возгонки: сколько тепла истрачено на испарение жидкости, столько же и возвращается ее при конденсации, причем при этой же температуре, если процессы испарения и конденсации идут при одном и том же давлении, но они не преодолели конструктивных сложностей для предотвращения неполноты теплопередачи.

В случае с пароструйным термотрансформатором-опреснителем морской воды ученые, что называется, частично использовали тепло целого океана тепловой энергии окружающей среды, но забыли, что вакуум можно создавать, не затрачивая механической энергии, для получения которой необходимо затратить в несколько раз большее количество тепловой энергии, причем высокого потенциала. Зачем предлагается отбирать пар высокого давления из паровой турбины для привода пароструйного эжектора, если вакуум (до 0,97 кгс/см²) за паровой турбиной создается просто за счет наличия конденсатора пара? Ведь давление насыщенных паров жидкости, а следовательно, и вакуум есть функция только температуры жидкости, и поэтому при наличии разницы температуры хотя бы в несколько градусов, например, между морем и атмосферой, а в более общем случае при наличии теплопотока между любыми рабочими телами, может быть и искусственно создаваемого совсем для других целей, например, регенерация тепла или просто передача его от одного рабочего тела к другому в любых теплосиловых установках, создаются предпосылки для создания идеального опреснителя морской воды, а в более общем плане разделителя любых растворов на их компоненты.

Идеальным, в частности, опреснителем морской воды можно признать такой, который и тепловой энергии не тратит, и какой-либо системы для этого не требуется. При наличии такой системы основная функция ее совсем другая, например, передавать тепло потребителю.

В связи с этим напомним существующие системы теплопередачи, в частности, в наиболее массовых системах отопления: водяная, паровая и воздушная. Из них интерес для нас представляет паровая система, в которой реализуются процессы испарения и конденсации, т.е. те процессы, которые имеют место при опреснении морской воды. В ней, по сути дела, реализуется широкоизвестный принцип "тепловой трубы", когда через одну стенку "тепловой трубы" передается тепло кипящей жидкости, пары ее, пройдя по трубе, конденсируются уже на другой стенке, отдавая потребителю тепло конденсации жидкости, и жидкость вновь возвращается к первой стенке, например, по фитилю.

В паровой системе отопления сконденсированная в радиаторах отопления вода возвращается в паровой котел конденсационным насосом, причем по сравнению с водяной системой отопления (передачей тепла) она имеет и следующие преимущества: меньшие затраты на устройство системы, меньшая материалоемкость, малая инерционность при выходе на режим при выключении системы и малое гидростатическое давление, позволяющее применять систему парового отопления в высотных домах.

Наиболее близким к заявленному является известный способ передачи тепла от одного рабочего тела к другому по принципу "тепловой трубы", заключающийся в том, что тепло рабочего тела передают через стенку кипящему теплоносителю в виде раствора, низкокипящую фракцию которого конденсируют на другой стенке, через которую передают тепло потребителю с помощью другого рабочего тела (а.с. N 354401, F28Д 15/04, 1974).

С целью разделения растворов на фракции без существенных затрат тепловой энергии известный способ бесконтактной передачи тепла от одного рабочего тела к другому по принципу "тепловой трубы", заключающийся в том, что располагаемое тепло рабочего тела передают через стенку кипящему теплоносителю, пары которого конденсируют уже на другой стенке, через которую передают тепло другому рабочему телу, будет дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что в качестве промежуточного теплоносителя выбирают раствор, который необходимо разделить на его составляющие, подают его в зону кипения к стенке, через которую поступает тепло от рабочего тела, конденсируют легкую фракцию раствора с меньшей упругостью паров на стенке, через которую передают тепло другому рабочему телу, после чего от стенок удаляют разделенные фракции как одновременно, так и последовательно, если фракций в растворе несколько.

В целях исключения потерь тепла его потребителями при замене разделенных фракций раствора на сам раствор предлагаемый способ передачи тепла может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что замену разделенных фракций раствора на сам раствор осуществляют через теплообменники, течение фракций и раствора в полостях по охлаждаемой и нагреваемой средам которых осуществляют методом противотока.

Например, для нагрева 1 кг воды до 100^oC (начала кипения) необходимо затратить 100 ккал тепла, в то время как на испарение ее 540 ккал тепла, и поэтому до 15% тепла теряла бы система парового отопления, одновременно и опресняющая морскую воду, если бы морскую воду подавали бы при 0^oC, а пресную воду забирали при 100^oC.

Легкие фракции разделяемых растворов могут иметь самые различные температуры кипения при атмосферном давлении, а по техническим условиям температура теплопередачи должна быть вполне определенной, в частности, 80-90^oC для паровой системы отопления, чтобы оседающая на радиаторах отопления пыль не разлагалась и не нарушала экологические требования к системе.

Иначе говоря, при разделении, например, в системах парового отопления различных растворов в ней должно поддерживаться вполне определенное, но разное для различных растворов давление. Хорошо, если при заданной температуре теплопередачи выбранный раствор кипит при давлении выше атмосферного. В этом случае достаточно только загерметизировать систему, и заданная температура кипения будет достигнута за счет самопроизвольного повышения давления в системе. В случае если упругость паров легкой фракции раствора при заданной температуре будет ниже давления атмосферного, одной герметизации системы недостаточно, так как по меньшей мере неизменное парциальное давление воздуха в системе (1 ата) не позволит закипеть раствору при заданной температуре, ввиду того что для этого в системе необходимо создать вакуум, или, иначе говоря, удалить из нее воздух, в том числе и до этого растворенный в растворе в соответствии с законом Дальтона, по крайней мере до такой степени, чтобы упругость паров раствора при заданной температуре превысила парциальное давление воздуха в системе, как это делается в известных вакуум-паровых системах отопления помещений (рис.VI.II, стр.301 книги П.Н.Каменева и др. "Отопление и вентиляция" ч.1. М. Стройиздат, 1975).

В связи с этим предлагаемый способ теплопередачи должен быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что из зоны конденсации паров легкой фракции раствора периодически или постоянно осуществляют отсос растворенных в растворе посторонних неконденсируемых газов или заведомо дегазируют раствор и подают его в систему, заранее отвакуумированную.

При реализации всех существенных признаков по пп. 1-3 формулы изобретения можно обеспечить разделение любых растворов на их фракции практически без затрат тепловой энергии попутно с теплообменом между любыми рабочими телами при любой заданной температуре, в том числе практически и без создания конструктивных средств для обеспечения этого, как это может иметь место в уже существующих вакуум-паровых системах отопления.

Широкое применение предлагаемого способа передачи тепла способа разделения растворов на их фракции, позволяет значительно удешевить разделение растворов на их фракции; повысить возможности, например, существующих вакуум-паровых систем отопления за счет опреснения морской воды или разделения молока на сливки и воду с одновременным повышением ресурса системы, так как в молоке практически нет солей, являющихся причиной малого ресурса вакуум-паровых систем отопления на основе воды; сэкономить значительное количество тепловой энергии или уменьшить мировые потребности в ней; разделять на фракции те растворы, которые ранее не разделялись ввиду экономической нецелесообразности; децентрализовать или демополизировать реализацию технологий по разделению растворов на их фракции вплоть до отдельной семьи.

Использование: теплообмен между рабочими телами и может найти применение и для попутного разделения растворов на их компоненты методом возгонки без специальной затраты тепловой энергии и практически без дополнительных конструктивных средств для реализации этого процесса. Сущность: в качестве промежуточного теплоносителя в теплопередаче по принципу "тепловой трубы" используют более низкокипящую фракцию раствора, которую выкипают из раствора у стенки, через которую тепло подводят к раствору от рабочего тела и конденсируют на стенке, через которую тепло передают другому рабочему телу, а замену разделенных фракций раствора на сам раствор могут осуществлять через теплообменники, течение фракций и раствора в полостях по охлаждаемой и нагреваемой средам которых осуществляют методом "противоток", при этом растворенные в растворе неконденсируемые газы могут постоянно отсасывать или предварительно дегазировать раствор, подавать его самотеком в систему, однажды отвакуумированную, например, в вакуум-паровую систему отопления. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ бесконтактной передачи тепла от одного рабочего тела к другому по принципу "тепловой трубы" или паровых систем отопления, заключающийся в том, что располагаемое тепло рабочего тела передают через стенку кипящему теплоносителю в виде раствора, низкокипящую фракцию которого конденсируют уже на другой стенке, через которую передают тепло его потребителю с помощью уже другого рабочего тела, отличающийся тем, что, с целью попутного с передачей тепла потребителю, разделения растворов на фракции их составляющих без затрат на это тепловой энергии, непрерывно или периодически в тепловую трубу или паровую систему отопления подают растворы, которые необходимо разделить на фракции для их внешнего раздельного потребления, задают парциальное давление нейтрального газа, например воздуха, во всей полости тепловой трубы или системы парового отопления меньшее давления упругости паров низкокипящей фракции раствора, но большее давления упругости паров высококипящей фракции при заданных температуре и мощности теплопередачи, а конденсат низкокипящей и высококипящую фракцию раствора у стенок тепловой трубы или паровой системы отопления, через которые соответственно отдают и воспринимают передаваемое потребителю тепло, раздельно удаляют как непрерывно и одновременно при двух фракциях раствора, так и дискретно-последовательно, если фракций раствора три и более. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что замену разделенных фракций на раствор осуществляют через теплообменники, течение фракций и раствора в полостях по охлаждаемой и нагреваемой средам которых осуществляют противотоком. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что из зоны конденсации паров легкой фракции раствора периодически или постоянно осуществляют отсос растворенных в растворе постоянных неконденсирующихся газов или предварительно дегазируют и подают его в отвакуумированную систему.