ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 1998 года по МПК F28D15/02 

Изобретение относится к теплообменным аппаратам с промежуточным теплоносителем, а именно к тепловым трубам, и может быть использовано для регулирования тепловой нагрузки в системе испаритель-конденсатор при отоплении производственных и жилых помещений.

Известен теплообменный аппарат с промежуточным теплоносителем, содержащий тепловую трубу с испарителем, частично заполненным промежуточным теплоносителем и конденсатором, размещенным выше испарителя и заполненным инертным газом (Васильев П. П., Конев С.В. Регулируемые тепловые трубы. - Инж. физ. журнал, 1977, т. 32, N 5, с. 920-938).

Недостатком данного теплообменного аппарата является необходимость использования инертного газа. При этом регулирование тепловой трубы осуществляется путем изменения объема инертного газа, что приводит к увеличению давления, не обеспечивает достаточный диапазон регулирования. Для увеличения диапазона регулирования необходимо увеличивать прочностные свойства устройства, что связано с дополнительными затратами. Кроме того, использование инертного газа не позволяет достичь постоянства температуры окружающей среды в помещении.

Наиболее близким к заявляемому является теплообменный аппарат, включающий тепловую трубу, содержащую испаритель, частично заполненный промежуточным теплоносителем, и конденсатор, размещенный выше испарителя, и дополнительную емкость, частично заполненную промежуточным теплоносителем. Причем дополнительная емкость соединена с тепловой трубой посредством патрубка, один конец которого соединен с конденсатором, а другой свободный конец расположен в дополнительной емкости. Дополнительная емкость снабжена гофрированной перегородкой, герметично разделяющей емкость на две секции, каждая из которых снабжена штуцером с запорным вентилем. Дополнительная емкость в данном теплообменном аппарате предназначена для конденсации избыточного пара при повышении давления пара в конденсаторе (см. а.с. СССР N 1128089). Однако данный теплообменный аппарат не обеспечивает регулирования тепловой нагрузки для поддержания постоянства температуры окружающей среды в помещении, ввиду отсутствия перераспределения промежуточного теплоносителя между испарителем и дополнительной емкостью.

В основу изобретения положена задача обеспечения постоянства заданной температуры в помещении за счет саморегулирования объема промежуточного теплоносителя между испарителем и дополнительной емкостью.

Поставленная задача решается тем, что в теплообменном аппарате, включающем тепловую трубу, содержащую испаритель, частично заполненный промежуточным теплоносителем, и конденсатор, размещенный выше испарителя, и дополнительную емкость, частично заполненную промежуточным теплоносителем и соединенную с тепловой трубой посредством патрубка, один конец патрубка герметично соединен с конденсатором, а другой, свободный конец, расположен в дополнительной емкости ниже уровня промежуточного теплоносителя, при этом дополнительная емкость снабжена отверстием в верхней ее части для связи с атмосферой.

Расположение свободного конца патрубка, другой конец которого герметично соединен с конденсатором, в дополнительной емкости ниже уровня промежуточного теплоносителя, позволяет обеспечить саморегулирование объема промежуточного теплоносителя между испарителем и дополнительной емкостью. Этим достигается постоянство заданной температуры в помещении.

Снабжение дополнительной емкости отверстием в верхней ее части для связи с атмосферой обеспечивает возможность перехода промежуточного теплоносителя из дополнительной емкости в испаритель при снижении температуры в помещении.

Кроме того, расположение свободного конца патрубка в дополнительной емкости ниже уровня промежуточного теплоносителя исключает возможный выброс избыточного пара из конденсатора в атмосферу за счет его остаточной конденсации при прохождении сквозь слой промежуточного теплоносителя. А также это обеспечивает обратное движение промежуточного теплоносителя из дополнительной емкости в испаритель.

Сущность изобретения заключается в том, что в данной конструкции обеспечивается возможность саморегулирования объема промежуточного теплоносителя между испарителем и дополнительной емкостью при изменении температуры в помещении.

Промежуточный теплоноситель при нагреве переходит в парообразное состояние и в виде пара попадает в конденсатор. Через стенки конденсатора происходит теплообмен с окружающей средой помещения. При этом пар конденсируется и конденсат стекает под действием гравитационных сил обратно в испаритель.

При приближении к заданному значению температуры в помещении часть пара не успевает конденсироваться в конденсаторе и патрубке и через патрубок попадает в дополнительную емкость, где конденсируется, проходя через слой промежуточного теплоносителя дополнительной емкости.

При достижении в помещении заданной температуры избыточная часть промежуточного теплоносителя из испарителя переходит в дополнительную емкость в виде пара, не конденсируясь в конденсаторе, т.к. поверхность конденсатора выбрана из условий заданной температуры и объема обогреваемого помещения. Таким образом, при достижении заданной температуры в помещении избыточная часть промежуточного теплоносителя находится в дополнительной емкости, при этом емкость связана с атмосферой.

При снижении температуры в помещении из-за разрежения, образующегося в тепловой трубе, возникает разность давлений в атмосфере и тепловой трубе. Поэтому при снижении температуры в помещении промежуточный теплоноситель из дополнительной емкости переходит обратно в испаритель. Таким образом, осуществляется саморегулирование объема промежуточного теплоносителя, что позволяет поддерживать заданную температуру в помещении.

На чертеже представлен описываемый теплообменный аппарат. Устройство содержит испаритель 1 и конденсатор 2, тепловую трубу 3, промежуточный теплоноситель 4, дополнительную емкость 5, патрубок 6, отверстие 7 для связи с атмосферой.

Устройство работает следующим образом.

Испаритель 1 заполняется промежуточным теплоносителем 4 примерно на 2/3 объема. В нормальном режиме работы при фиксированной температуре окружающей среды в помещении и режиме теплообмена теплопередающая способность теплообменного аппарата определяется соотношением площадей нагрева промежуточного теплоносителя 4 в испарителе 1 и конденсации его в конденсаторе 2.

Мощность испарителя 1 Q_и равна мощности Q_к, отводимой в зоне конденсатора 2, которая определяется по формуле (1):
Q_к=F_к•K(t_нас-t_ср),
где
Q_к - тепловой поток в зоне конденсации;
F_к - площадь поверхности конденсатора;
K - коэффициент теплопередачи;
t_нас - температура насыщенного пара при заданном давлении;
t_ср - температура окружающей среды.

По мере изменения температуры окружающей среды при фиксированных значениях F_к и K количество отводимого тепла в конденсаторе 2 автоматически изменяется.

При нарушении равновесного режима работы теплообменного аппарата, например в сторону увеличения мощности испарителя 1, т.е. Q_и>Q_к происходит выделение избытка теплоты в виде пара, не успевающего сконденсироваться на поверхности конденсатора 2. Пар поступает в дополнительную емкость 5, выполняющую функции регулятора тепловой мощности, где конденсируется. При этом высота столба промежуточного теплоносителя 4 h₁ в испарителе 1 уменьшается, а высота столба промежуточного теплоносителя 4 в дополнительной емкости 5 h₂ увеличивается.

Изменение высоты h₁ автоматически приводит к изменению теплового тока в испарителе 1 Q_и. Система достигает равновесного состояния, когда мощность испарителя 1 будет равна величине потерь энергии в окружающее пространство.

Снижение температуры окружающей среды приводит к уменьшению поверхности, необходимой для полной конденсации генерируемого в испарителе 1 пара в соответствии с уравнением (1).

Практически это означает, что при фиксированной поверхности конденсации, определяемой геометрическими размерами и формой конденсатора 2 полная конденсация пара будет происходить не на всей поверхности конденсатора 2, а на начальных его участках. В конечных его участках температура поверхности конденсатора 2 будет понижаться вплоть до значений, близких к температуре окружающей среды. Так как каждой температуре однозначно соответствует давление насыщенного пара, то в результате возникает разность давлений (атмосферного и остаточного в конденсаторе 2) под действием которого происходит обратное движение (выдавливание) промежуточного теплоносителя 4 из дополнительной емкости 5 в испаритель 1. При увеличении температуры окружающей среды выше допустимого равновесного значения, определяемого уравнением (1) возникает обратный градиент давления, под действием которого происходит выдавливание части промежуточного теплоносителя 4 в виде пара, в дополнительную емкость 5 с последующей его конденсацией. В результате изменяется высота заполнения промежуточным теплоносителем 4 испарителя 1 h₁ и дополнительной емкости 5 h₂.

Объем дополнительной емкости 5, ее теплоаккумулирующую способность, величину боковой поверхности выбирают такими, чтобы гарантированно сконденсировать весь объем избыточного пара промежуточного теплоносителя 4. В результате обеспечивается автоматическое поддержание температуры в окружающем пространстве за счет саморегулирования объема промежуточного теплоносителя 4 между испарителем 1 и дополнительной емкостью 5.

Для рассмотрения примера конкретного выполнения примем в качестве исходных следующие данные:
1. Площадь теплообменных поверхностей (стен) - = 100 м². Объем помещения 8х3х8 = 192 м³
2. Температура внутри помещения t_вн = 20^oC
3. Температура окружающей среды - t_н = -10^oC
4. Плотность теплового потока в испарителе - q_и = 20•10³ Вт/м²
5. Плотность теплового потока в конденсаторе - q_к = 800 Вт/м²
6. Внутренние диаметры испарителя и дополнительной емкости D = 0,1 м
7. Высота испарителя H = 0,5 м
8. Материал стен - дерево (коэффициент теплопроводности λ = 0,21 Вт/м•град)
9. Толщина стен δ = 0,230 м
10. Коэффициент теплопередачи - K = 0,77 Вт/м²•град.

Рассмотрим простейший случай установившегося теплового взаимодействия системы с окружающей средой.

Для поддержания постоянного значения температуры внутри рабочего объема необходимо компенсировать потери теплоты в окружающую среду.

Предположим, что толщина стен много меньше остальных размеров. Тогда без учета потерь теплоты через рабочие отверстия (форточки, двери) общие потери теплоты составляют:
Q₁ = K•S(t_вн-t_н) = 0,77•100(20-(-10)) = 2310 Вт
Внутри рабочего помещения для компенсации потерь в испарителе 1 должно выделяться равное количество теплоты в единицу времени:
Q₁ = Q₂ = 2310 Вт.

Так как Q₂ = π Dhq_н = 2310 Вт, то эффективная высота заполнения испарителя 1 промежуточным теплоносителем 4 будет равна

Поверхность конденсатора 2 в равновесном режиме работы:

где
α = 10 Вт/м²•град - коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией,
t_нас = 100^oC - температура насыщения промежуточного теплоносителя 4 (воды) при атмосферном давлении.

Предположим, что температура воздуха в рабочем помещении внезапно снизилась до t_вн = 15^oC, например, за счет открытия форточек или дверей. Тогда, чтобы восстановить равновесный режим работы регулируемой тепловой трубы 3 в испаритель 1 из дополнительной емкости 5 за счет образующегося разрежения должно поступить дополнительное количество промежуточного теплоносителя 4, которое может быть найдено исходя из следующих рассуждений.

Тепловой поток в зоне конденсации:
Q_к= S_кα(t_нас-t_вн) = 2,89•10(100-15) = 2457 Вт.
Высота заполнения испарителя 1 в данном случае:

Изменение высоты заполнения испарителя 1 промежуточным теплоносителем 4 составит:
Δh′= h′-h = 0,391-0,368 = 0,023 м.
Таким образом, в испаритель 1 поступит дополнительное количество промежуточного теплоносителя 4 в количестве:

Предположим далее, что температура в рабочем помещении увеличилась до = 25^oC. Тогда аналогичными рассуждениями можно прийти к следующим выводам.

Равновесный режим работы регулируемой тепловой трубы 3 при изменении условий в зоне конденсации будет достигаться за счет появления избыточного давления в испарителе 1 и транспортировки пара в дополнительную емкость 5 с последующей его конденсацией на дополнительной теплообменной поверхности.

Высота заполнения испарителя 1 промежуточным теплоносителем 4 в этом случае в установившемся режиме

Изменение высоты заполнения
Δh″ = h''-h = 0,345 - 0,368 = -0,023 м
Таким образом, отклонение температуры в рабочем объеме на 5^oC в ту или иную сторону приводит к соответствующему изменению режима работы испарителя 1 в направлении достижения равновесной температуры t_вн = 20^oC.

Использование: регулирование тепловой нагрузки в системе испаритель - конденсатор при отоплении производственных и жилых помещений. Сущность: в теплообменном аппарате, содержащем тепловую трубу, включающую испаритель 4, частично заполненный промежуточным теплоносителем, и конденсатор 2, размещенный выше испарителя 4, дополнительную емкость 5, частично заполненную промежуточным теплоносителем, соединенную с тепловой трубой посредством патрубка 6, один конец которого герметично соединен с конденсатором 2, а другой свободный конец расположен в дополнительной емкости 5 ниже уровня промежуточного теплоносителя, при этом дополнительная емкость 5 снабжена отверстием в верхней ее части для связи с атмосферой. 1 ил.

Теплообменный аппарат, включающий тепловую трубу, содержащую испаритель, частично заполненный промежуточным теплоносителем, и конденсатор, размещенный выше испарителя, и дополнительную емкость, частично заполненную промежуточным теплоносителем, соединенную с тепловой трубой посредством патрубка, один конец которого герметично соединен с конденсатором, а другой свободный конец расположен в дополнительной емкости, отличающийся тем, что свободный конец патрубка расположен ниже уровня промежуточного теплоносителя в дополнительной емкости, снабженной отверстием в верхней ее части для связи с атмосферой.