СПОСОБ РАБОТЫ ПАРОГЕНЕРАТОРА Российский патент 2005 года по МПК F22B1/00 F22B3/00 

Изобретение относится к области процессов тепломассопереноса, в частности к способам работы парогенерирующих устройств, и может быть использовано в работе конденсационно-испарительного устройства, циркуляционной системы охлаждения, дроссельно-испарительного устройства, холодильника и абсорбционного холодильника. Дроссельно-испарительное устройство применяется в холодильнике. Абсорбционный холодильник относится к водоаммиачным или бромистолитиевым абсорбционным холодильным устройствам.

Известен способ работы парогенератора [1], выбранный в качестве прототипа к заявляемому способу работы парогенератора, заключающийся в подаче теплоносителя, состоящего из паровых и жидкостных образований, из приемной камеры в камеру парообразования под действием разности давлений, в парообразовании теплоносителя в камере парообразования и в отводе пара или парожидкостной среды из камеры парообразования.

Сущность заявляемого способа работы парогенератора состоит в том, что в известном способе работы парогенератора, заключающемся в подаче теплоносителя, состоящего из паровых и жидкостных образований, из приемной камеры в камеру парообразования под действием разности давлений, в парообразовании теплоносителя в камере парообразования и в отводе пара или парожидкостной среды из камеры парообразования, теплоноситель из приемной камеры в камеру парообразования подают через капиллярную перегородку, при этом за счет образования менисков в капиллярных микроканалах капиллярной перегородки осуществляют процесс, препятствующий проникновению паровых образований через капиллярную перегородку, или осуществляют процесс, препятствующий проникновению паровых образований в виде паровых пузырьков, значения диаметров которых превышают значение поперечного размера узкого места капиллярного микроканала, обладающего наибольшим значением поперечного размера узкого места. Это приводит к тому, что для подачи теплоносителя в камеру парообразования требуется более высокий перепад давлений в приемной камере и камере парообразования. Благодаря этому становится возможным организовать регулируемую подачу теплоносителя, состоящего из паровых и жидкостных образований, из области с высоким давлением пара в область с низким давлением пара, т.е. становится возможным подавать в камеру парообразования требуемое заданное количество теплоносителя в единицу времени. Для этого устанавливают капиллярную перегородку с заданными характеристиками капиллярных микроканалов.

Мениски могут образовывать на обращенной к приемной камере поверхности капиллярной перегородки и/или в слое капиллярной перегородки, граничащем с приемной камерой.

Капиллярные микроканалы капиллярной перегородки могут быть выполнены на некотором участке своей длины с поперечными размерами, уменьшающимися в направлении от приемной камеры в камеру парообразования.

В капиллярных микроканалах капиллярной перегородки на некотором участке могут обеспечивать температуру Т<T_н, где Т_н - значение температуры, соответствующее на линии насыщения значению давления на этом участке.

Следует заметить, что под капиллярной перегородкой понимается перегородка, состоящая из одного или нескольких капиллярных микроканалов. И речь везде идет о капиллярных микроканалах, внутренняя поверхность которых смачивается используемым теплоносителем. Капиллярные микроканалы могут иметь самую разную форму. Они, например, могут быть образованы сообщающимися порами пористого тела. Капиллярные микроканалы могут гидравлически соединяться между собой в теле перегородки через отверстия на боковых поверхностях капиллярного микроканала. Значение поперечного размера микроканалов может составлять от тысячных долей микрона до нескольких миллиметров. Следует также заметить, что при осуществлении процесса, препятствующего проникновению паровых образований через капиллярную перегородку, отдельные паровые образования могут проникать через капиллярную перегородку. То есть мениски в капиллярных микроканалах препятствуют проникновению паровых образований через капиллярную перегородку, но не исключают полностью этого.

Заявляемый способ работы парогенератора основан на взаимодействии среды с капиллярной перегородкой.

На фиг.1 и 2 показано, как осуществляется это взаимодействие. Внутри корпуса канала 1 установлена капиллярная перегородка 2, состоящая из капиллярных микроканалов 3. Канал содержит впускную 4 и выпускную 5 области. Капиллярные микроканалы могут быть выполнены на некотором участке своей длины с поперечными размерами, уменьшающимися в направлении из впускной области в выпускную; в этом случае усиливается процесс, препятствующий проникновению пара через капиллярную перегородку. Во впускной области среда состоит из паровых 6 и жидкостных 7 образований. В частном случае паровые образования представляют собой паровые пузырьки 8. Под действием разности давлений среда из впускной области подается в выпускную область (т.е. среда подается в условиях превышения давления во впускной области над давлением в выпускной области). Когда к капиллярной перегородке со стороны впускной области поступает паровое образование или паровое образование в виде парового пузырька, то в капиллярном микроканале капиллярной перегородки образуются мениски 9, препятствующие проникновению пара через капиллярную перегородку. Мениски 9 могут заглубляться во внутрь на некоторую глубину. Мениски могут образовывать на обращенной к впускной области поверхности 14 капиллярной перегородки и/или в слое 15 капиллярной перегородки, граничащем с впускной областью (фиг.1).

Если паровые пузырьки 10, поступающие к некоторому капиллярному микроканалу 11, имеют диаметр меньше поперечного размера узкого места этого капиллярного микроканала (фиг.2), то пузырьки проходят через такой капиллярный микроканал. Пузырек образует мениск в капиллярном микроканале капиллярной перегородки, если ее диаметр больше поперечного размера узкого места этого капиллярного микроканала. Пузырьки 12 с диаметрами, превосходящими поперечный размер узкого места капиллярного микроканала 13, обладающего наибольшим значением поперечного размера узкого места, будут образовывать мениски в капиллярных микроканалах на любом участке капиллярной перегородки. Таким образом будет осуществляться процесс, препятствующий проникновению паровых образований в виде паровых пузырьков, диаметр которых превышает поперечный размер узкого места капиллярного микроканала, обладающего наибольшим значением поперечного размера узкого места.

Теплоноситель во впускной области может состоять в отдельные моменты времени из слоя жидкости, прилегающего к поверхности капиллярной перегородки, и паровой области (фиг.3). В этом случае весь слой жидкости перетекает через капиллярную перегородку в выпускную область до поступления паровой области к поверхности капиллярной перегородки. Когда паровая область достигает поверхности капиллярной перегородки, то образуются мениски 9, препятствующие переносу пара (фиг.4).

В микроканалах на некотором участке с целью исключить вскипание внутри микроканала могут обеспечивать температуру Т<Т_н, где Т_н - значение температуры, соответствующее на линии насыщения значению давления на этом участке. Это могут осуществлять на участке вблизи выпускной области. На фиг.5 представлена кривая равновесия жидкости и ее насыщенного пара (зависимость давления насыщенного пара от ее температуры) или линия насыщения. Значению давления Р_м на некотором участке капиллярного микроканала соответствует определенное значение температуры насыщения Т_н в соответствии с линией насыщения. Если обеспечивать температуру на этом участке Т<Т_н, то вскипание внутри капиллярного микроканала будет исключено.

Заметим дополнительно, что исключить парообразование внутри микроканалов можно за счет такой конструкции микроканалов (например, за счет выполнения капиллярных микроканалов с поперечными размерами, уменьшающимися по определенному закону в направлении из приемной камеры в камеру парообразования), при которой обеспечивается распределение давления Р вдоль микроканала в направлении потока, удовлетворяющее условию Р>Р_н, где Р_н - значение давления, соответствующее на линии насыщения значению температуры на этом участке.

Под узким местом капиллярного микроканала надо понимать такой участок, в котором поперечный размер капиллярного микроканала составляет самое минимальное значение. Если структура капиллярной перегородки представляет собой поры, образованные между частицами, то капиллярные микроканалы в такой капиллярной перегородке, частично заполненной жидкостью, могут быть образованы самым различным способом. Они могут быть образованы при частичном вытеснении жидкости паром или газом.

На фиг.6, 7, 8, 9 и 10 представлены различные конструкции капиллярных микроканалов 3. Узкие места показаны кружочком, выполненным штриховой линией. На фиг.9 представлен вариант конструкции, в котором капиллярные микроканалы 3 образованы порами капиллярно-пористой структуры, а на фиг.10 конструкция капиллярной перегородки состоит из нескольких слоев перфорированных пластин.

На фиг.11 и 12 показано, как реализуется способ работы парогенератора. Между приемной камерой 16 и камерой парообразования 17 установлен канал 1 с капиллярной перегородкой 2. Под приемной камерой понимается область перед капиллярной перегородкой. Капиллярная перегородка состоит из капиллярных микроканалов 3. Капиллярные микроканалы могут быть выполнены на некотором участке своей длины с поперечными размерами, уменьшающимися в направлении из приемной камеры в камеру парообразования. В приемной камере к поверхности капиллярной перегородки поступает теплоноситель, состоящий из паровых 6 и жидкостных 7 образований. В частном случае паровые образования представляют собой паровые пузырьки 8. Под действием разности давлений теплоноситель из приемной камеры подается в камеру парообразования (т.е. теплоноситель подается в условиях превышения давления в приемной камере над давлением в камере парообразования). В камере парообразования 17 осуществляется парообразование теплоносителя. Пар или парожидкостная среда из камеры парообразования отводятся. Когда к капиллярной перегородке со стороны приемной камеры поступает паровое образование, то в капиллярных микроканалах капиллярной перегородки образуются мениски 9, препятствующие проникновению паровых образований через капиллярную перегородку. Также будет осуществляться процесс, препятствующий проникновению паровых образований в виде паровых пузырьков, диаметр которых превышает поперечный размер узкого места капиллярного микроканала, обладающего наибольшим значением поперечного размера узкого места. Мениски могут образовывать на обращенной к приемной камере поверхности капиллярной перегородки и/или в слое капиллярной перегородки, граничащем с приемной камерой. При этом могут в микроканалах на некотором участке с целью исключить парообразование внутри микроканала обеспечивать температуру Т<Т_н, где Т_н - значение температуры, соответствующее на линии насыщения значению давления на этом участке. Это может обеспечиваться за счет организации отвода тепла с этого участка.

Способ работы парогенератора может быть использован в способе работы конденсационно-испарительного устройства.

На фиг.13 показано, как это можно реализовать. Между конденсационным каналом 18 и камерой парообразования 17 установлен канал 1 с капиллярной перегородкой 2, состоящей из капиллярных микроканалов 3. Следует заметить, что может быть установлено несколько каналов с капиллярными перегородками, соединенными последовательно. Осуществляют конденсацию пара теплоносителя или парожидкостной среды теплоносителя в конденсационном канале. Затем из конденсационного канала к поверхности капиллярной перегородки поступает теплоноситель в виде среды, состоящей из паровых 6 и жидкостных 7 образований. В частном случае паровые образования представляют собой паровые пузырьки 8. Под действием разности давлений теплоноситель из конденсационного канала через канал с капиллярной перегородкой подается в камеру парообразования, при этом осуществляют вышеописанный процесс, препятствующий проникновению паровых образований или паровых образований в виде паровых пузырьков через капиллярную перегородку за счет образования менисков 9 в капиллярных микроканалах капиллярной перегородки. В камере парообразования 17 осуществляется парообразование теплоносителя. Пар или парожидкостная среда из камеры парообразования отводятся.

Способ работы парогенератора может быть использован в способе работы циркуляционной системы охлаждения (фиг.14), состоящей из камеры парообразования 17, конденсатора 19, парогенерирующего прокачивающего элемента 20 и канала предварительной конденсации 21, соединенных в замкнутый контур, частично заполненный теплоносителем. При этом выход камеры парообразования 17 соединен со входом конденсатора 19, выход конденсатора 19 соединен со входом парогенерирующего прокачивающего элемента 20, выход парогенерирующего прокачивающего элемента 20 соединен со входом канала предварительной конденсации 21. Между каналом предварительной конденсации и парогенератором установлен канал 1 с капиллярной перегородкой 2, перекрывающей канал. Капиллярная перегородка состоит из капиллярных микроканалов 3. Через канал 1 выход канала предварительной конденсации 21 соединен со входом парогенератора 17. Парогенерирующий прокачивающий элемент 20 выполнен с возможностью прокачивать теплоноситель из конденсатора 19 в канал предварительной конденсации 21 и выдавать на выходе пар или парожидкостную среду.

Циркуляционная система охлаждения работает следующим образом.

Из парогенерирующего прокачивающего элемента, выполненного с возможностью прокачивать теплоноситель из конденсатора 19 в канал предварительной конденсации 21 и выдавать на выходе пар или парожидкостную среду, в канал предварительной конденсации поступает пар (на фиг.14 показан пар) или парожидкостная среда. В канале предварительной конденсации осуществляется процесс конденсации пара. Когда к поверхности капиллярной перегородки в какой-либо момент времени поступает жидкостная среда без паровых образований, то она вся перетекает через капиллярную перегородку в парогенератор до тех пор, пока не поступит чисто паровое образование. Тогда в капиллярных микроканалах капиллярной перегородки образуются мениски 9 и они препятствуют проникновению пара в парогенератор. Если к поверхности капиллярной перегородки поступает парожидкостная среда, то через капиллярную перегородку в парогенератор в зависимости от размеров капиллярных микроканалов поступает только жидкость или проникают паровые пузырьки, значения диаметров которых меньше значения поперечного размера самого узкого места в капиллярном микроканале.

Способ работы парогенератора может быть применен в способе работы дроссельно-испарительного устройства. На фиг.15 и 16 представлены такие устройства, которые состоят из дросселя 22, канала 1 с капиллярной перегородкой 2, камеры парообразования 17 и полости 23, расположенной между дросселем и капиллярной перегородкой. Капиллярная перегородка 2 состоит из капиллярных микроканалов 3. Под дросселем понимается устройство, в котором осуществляется расширение среды с уменьшением давления. Дроссель может быть выполнен в виде отверстия в стенке, разделяющем камеры, или в виде трубки, соединяющей камеры.

Работа дроссельно-испарительного устройства происходит следующим образом. Образующуюся на выходе из дросселя среду, состоящую из паровых 6 и жидкостных образований 7, подают к капиллярной перегородке и осуществляют перетекание через капиллярную перегородку. В результате теплоноситель в виде полностью жидкой среды или парожидкостной среды поступает в камеру парообразования, где осуществляется парообразование. При этом транспорт теплоносителя через капиллярную перегородку осуществляют в соответствии с заявляемым способом работы парогенератора. Паровые образования 6 парожидкостной среды из полости между дросселем и капиллярной перегородкой конденсируют (фиг.15) или откачивают (фиг.16).

Способ работы парогенератора может быть использован в способе работы холодильника. На фиг.17 и 18 представлены различные варианты таких холодильников; они состоят из компрессора 24, теплообменника 25, дросселя 22 и парогенератора 17. Между дросселем и парогенератором установлен канал 1 с капиллярной перегородкой 2, состоящей из капиллярных микроканалов 3. В обоих вариантах холодильников используются дополнительные компрессоры.

В представленном на фиг.17 варианте холодильника вход дополнительного компрессора 26 соединен с полостью 23 и с выходом компрессора 24, а выход соединен со входом теплообменника, а во втором варианте холодильника, представленном на фиг.18, вход дополнительного компрессора 27 соединен с полостью 23, а выход - со входом дополнительного теплообменника 28, выход которого соединен со входом дросселя.

Холодильник по первому варианту (фиг.17) работает следующим образом. На вход в дроссель подается сжатый дополнительным компрессором и охлажденный в теплообменнике теплоноситель в газообразной или парообразной форме или сжатый дополнительным компрессором и подвергнувшийся охлаждению и конденсации в теплообменнике теплоноситель в форме парожидкостной среды или в жидкой форме. Пропуская через дроссель, осуществляют расширение среды и образуют парожидкостную среду, состоящую из паровых 6 и жидкостных образований 7. Образовавшуюся среду подают в камеру парообразования через канал с капиллярной перегородкой и осуществляют парообразование в камере парообразования. Когда к капиллярной перегородке поступает паровое образование или паровое образование в виде парового пузырька, то в капиллярных микроканалах капиллярной перегородки образуются мениски 9, препятствующие проникновению пара через капиллярную перегородку. При этом паровые образования 6 парожидкостной среды из области между дросселем и капиллярной перегородкой откачивают с помощью дополнительного компрессора 26, причем последний откачивает также пар на выходе из компрессора 24, на вход которого подается пар из камеры парообразования.

Холодильник по второму варианту (фиг.18) работает следующим образом. На вход в дроссель подаются два потока теплоносителя в газообразной форме или в парообразной форме или в форме парожидкостной смеси или в форме жидкости. Первый поток получен сжатием с использованием компрессора 24 и охлаждением в теплообменнике 25 или сжатием с использованием компрессора 24, охлаждением и конденсацией в теплообменнике 25. А второй поток получен сжатием с использованием дополнительного компрессора 27 и охлаждением в теплообменнике 28 или сжатием с использованием дополнительного компрессора 27, охлаждением и конденсацией в теплообменнике 28. Осуществляют расширение среды пропусканием через дроссель, при этом на выходе из дросселя имеет место парожидкостная среда, состоящая из паровых б и жидкостных образований 7. Эту среду подают в камеру парообразования через канал с капиллярной перегородкой и осуществляют парообразование в камере парообразования. Когда к капиллярной перегородке поступает паровое образование или паровое образование в виде парового пузырька, то в капиллярных микроканалах капиллярной перегородки образуются мениски 9, препятствующие проникновению пара через капиллярную перегородку. При этом паровые образования 6 парожидкостной среды из области между дросселем и капиллярной перегородкой откачивают с помощью дополнительного компрессора 27. Пар из камеры парообразования откачивается компрессором 24.

Способ работы парогенератора может быть использован в способе работы абсорбционного холодильника, содержащего (фиг.19) абсорбционную 29, десорбционную 30 и конденсационную 18 камеры, камеру парообразования 17, а также канал 31 прокачки раствора из абсорбционной камеры в десорбционную. Канал 31 предназначен для прокачки раствора, т.е. работает как насос. Между конденсационной камерой 18 и камерой парообразования 17 установлен канал 1 с капиллярной перегородкой 2, состоящей из капиллярных микроканалов 3. Устройство частично заполнено раствором абсорбата и абсорбента.

Устройство работает следующим образом. В абсорбционной камере осуществляется процесс абсорбции паров абсорбата абсорбентом, при этом отводится тепло от камеры. Канал прокачки осуществляет прокачку раствора из абсорбционной камеры в десорбционную, в которой осуществляется процесс десорбции. Абсорбент с малым содержанием абсорбата перетекает в абсорбционную камеру, а абсорбат направляется в конденсационную камеру и конденсируется. Образовавшуюся среду подают в камеру парообразования 17 через канал 1 с капиллярной перегородкой 2. Капиллярная перегородка препятствует прорыву паровых образований 6 в камеру парообразования за счет образования менисков 9 в капиллярных микроканалах капиллярной перегородки. Из камеры парообразования пар абсорбата направляется в абсорбционную камеру.

Литература

1. Соколов Е.А., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М., 1981, с.48-49.

Изобретение предназначено для генерирования пара и может быть использовано в энергетике. Способ работы парогенератора заключается в подаче теплоносителя, состоящего из паровых и жидкостных образований, из приемной камеры в камеру парообразования, под действием разности давлений, в парообразовании теплоносителя в камере парообразования и отводе пара или парожидкостной среды из камеры парообразования. Теплоноситель из приемной камеры в камеру парообразования подают через капиллярную перегородку, при этом за счет образования менисков в капиллярных микроканалах капиллярной перегородки осуществляют процесс, препятствующий проникновению паровых образований через капиллярную перегородку, или осуществляют процесс, препятствующий проникновению паровых образований в виде паровых пузырьков, значения диаметров которых превышают значение поперечного размера узкого места капиллярного микроканала, обладающего наибольшим значением поперечного размера узкого места. Изобретение обеспечивает организацию, регулируемую подачу теплоносителя. 3 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Способ работы парогенератора, заключающийся в подаче теплоносителя, состоящего из паровых и жидкостных образований, из приемной камеры в камеру парообразования под действием разности давлений, в парообразовании теплоносителя в камере парообразования и отводе пара или парожидкостной среды из камеры парообразования, отличающийся тем, что теплоноситель из приемной камеры в камеру парообразования подают через капиллярную перегородку, при этом за счет образования менисков в капиллярных микроканалах капиллярной перегородки осуществляют процесс, препятствующий проникновению паровых образований через капиллярную перегородку, или осуществляют процесс, препятствующий проникновению паровых образований в виде паровых пузырьков, значения диаметров которых превышают значение поперечного размера узкого места капиллярного микроканала, обладающего наибольшим значением поперечного размера узкого места.2. Способ работы парогенератора по п.1, отличающийся тем, что мениски образуют на обращенной к приемной камере поверхности капиллярной перегородки и/или в слое капиллярной перегородки, граничащем с этой поверхностью.3. Способ работы парогенератора по п.1, отличающийся тем, что капиллярные микроканалы капиллярной перегородки выполнены на некотором участке своей длины с поперечными размерами, уменьшающимися в направлении от приемной камеры в камеру парообразования.4. Способ работы парогенератора по п.1, отличающийся тем, что в капиллярных микроканалах капиллярной перегородки на некотором участке обеспечивают температуру Т<Т_н, где Т_н - значение температуры, соответствующее на линии насыщения значению давления на этом участке.