СПОСОБ ПЕРЕНОСА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2007 года по МПК F25B9/00 

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в качестве теплового насоса для переноса тепловой энергии и охлаждения или нагрева различных объектов.

Известен способ переноса тепловой энергии, в котором производят смешивание охлажденного хладагента с охлаждаемым веществом (см. а.с. SU 594808, F25B 13/00, 1993).

Недостаток известного способа заключается в том, что для его реализации необходимо предварительно нагревать и охлаждать хладагент. Для этого требуются большие затраты энергии. При данном способе имеют место большие теплопотери. Кроме того, при охлаждении создается прямой контакт между охлаждаемым веществом и охладителем.

Известен способ переноса тепловой энергии, обеспечивающий перераспределение холодной и теплой сред, в котором перепад температур осуществляется методом последовательного нагрева и охлаждения хладагента в компрессоре и испарителе (см. патент RU 1783257, F25B 13/00, 1992).

Недостаток способа состоит в том, что в устройствах, необходимых для его осуществления, имеется несколько элементов, а именно: вентилятор, дроссель, два конденсатора, бак для аккумулирования хладагента. В связи с этим надежность устройств, выполненных по данному способу, невысокая. Кроме того, КПД устройств, выполненных по данному способу, невелик, так как часть энергии теряется в многочисленных звеньях системы.

Ближайшим аналогом заявленного способа является способ переноса тепловой энергии от теплоотдатчика к теплоприемнику за счет затраты энергии путем циклического нагрева и охлаждения теплопровода (см. патент RU 2200282, F25B 30/00, 2003).

Ближайшим аналогом заявленного устройства является устройство для переноса тепловой энергии, содержащее теплоотдатчик, теплоприемник, теплопровод и элемент, подводящий к теплопроводу внешнюю энергию, выполненный в виде объемных возвратно-поступательных поршневых насосов (см. патент RU 2200282, F25B 30/00, 2003).

Техническим результатом данного изобретения является повышение надежности и КПД машин, обеспечивающих перенос тепловой энергии и перепад температур между теплоотдатчиком и теплоприемником.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе переноса тепловой энергии от теплоотдатчика к теплоприемнику за счет затраты энергии путем циклического нагрева и охлаждения теплопровода в расположенных вдоль его длины точках со сдвигом по фазе, равным ϕ=-180°(i-1)/n, где n - число пар точек, i - порядковый номер точки, L - расстояние между соседними точками в теплопроводе, равное τ/n, τ - полюсное деление, равное V/2f и равное расстоянию между точками, углы сдвига по фазе колебаний температур между которыми равны 180°, V - заданная скорость теплопередачи, f - частота цикла, причем порядковый номер точки, связанной с генератором, производящим колебания температуры, определяется по направлению движения тепловой энергии.

В варианте технического решения реверс переноса тепловой энергии производят изменением на противоположное значение углов сдвига фаз мгновенных температур между точками, угол сдвига мгновенных значений температур между которыми равен 360°/n.

В устройстве для переноса тепловой энергии, содержащем теплоотдатчик, теплоприемник, теплопровод и элемент, подводящий к теплопроводу внешнюю энергию, выполненный в виде объемных возвратно-поступательных поршневых насосов, согласно изобретению внутренний объем насосов вместе со шлангами герметичен и заполнен газом, точки теплопровода связаны шлангами с цилиндрами поршневых насосов, порядковый номер i цилиндра или точка теплопровода, связанного с цилиндром, определяется по ходу движения тепловой волны, расстояние между соседними точками L в теплопроводе равно L=τ/n, τ=V/2f - полюсное деление, равное расстоянию между точками сочленения со шлангами в теплопроводе, связывающими цилиндры насосов, углы сдвига давлений по фазе между которыми равно 180°, n - число пар точек, V - заданная скорость движения тепловой энергии, f - частота колебаний поршней в поршневых насосах, причем угол сдвига фаз мгновенных температур, создаваемых насосами, равен ϕ=-180°(i-1)/n.

В варианте технического решения теплопровод выполнен в виде змейки, а шланги подводятся в местах перегиба теплопровода.

В варианте технического решения теплопровод выполнен полым и замкнутым, а его внутреннее пространство заполнено теплоносителем.

В варианте технического решения в паре камер, угол сдвига мгновенных давлений между которыми равен 360°/n, шланги выполнены с ответвлениями в виде патрубков, в патрубках и шлангах установлены управляемые клапаны, патрубки соединены с теми же точками теплопровода, что и шланги, но в обратной последовательности.

Перенос тепловой энергии методом бегущей тепловой волны путем циклического нагрева и охлаждение теплопровода в определенных точках, расположенных вдоль его длины со сдвигом по фазе, дает возможность ускорить перенос тепла от нагретого объекта. При этом может быть использован теплоноситель, выполненный из твердого теплопроводного материала, например из меди или алюминия, что позволяет охлаждать радиоактивные объекты без опасения загрязнения окружающей среды.

При использовании жидкого или газообразного теплоносителя, расположенного в теплопроводе, повышается КПД системы и упрощается конструкция тепловой машины. Способ к тому же позволяет создавать постоянное во времени движение теплового потока, обращать процесс теплообмена в другую сторону и регулировать скорость переноса тепловой энергии.

В устройстве возможен реверс направления переноса тепловой энергии за счет простого переключения клапанов в шлангах и патрубках. Это дает дополнительные преимущества системе. Так, если предложенное устройство используется в кондиционере, то направлением тепловой энергии можно управлять, не изменяя направление движения приводного двигателя, а только за счет переключения управляемых клапанов.

Способ переноса тепловой энергии поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена конструкция, иллюстрирующая предложенный способ, реализованный с помощью двух двухкамерных объемных поршневых насосов.

На фиг.2 показана система, в которой теплопровод выполнен в виде змейки.

На фиг.3 изображен теплопровод с жидким или воздушным теплоносителем.

На фиг.4 изображена диаграмма температур, создаваемых двумя двухкамерными поршневыми насосами.

На фиг.5 дана эпюра пространственного и временного изменения температур в теплопроводе.

Фиг.6 демонстрирует способ изменения направления передачи тепловой энергии.

Устройство, реализующее способ переноса тепловой энергии, состоит из двух двухкамерных, объемных поршневых насосов, каждый из которых содержит цилиндры 1 и 2 (фиг.1). В цилиндрах расположены поршни соответственно 3 и 4. Поршни делят цилиндры на камеры 5 и 6 в первом цилиндре и 7 и 8 во втором цилиндре. Камеры с помощью шлангов 9 соответственно для камеры 5, шланга 10 для камеры 6, шланга 11 для камеры 7 и шланга 12 для камеры 8 имеют механический контакт с теплопроводом 13 в определенных точках А, В, С и D, расположенных на равном расстоянии. Камеры цилиндров и шланги заполнены газом, например воздухом, и герметически запаяны. Теплопровод выполнен из теплопроводящего материала, например алюминия или меди. Расстояния между соседними точками теплопровода для подвода шлангов равны L=τ/n, где n - число пар насосов, τ=V/2f - полюсное деление, V - заданная скорость теплопередачи, f - частота колебаний поршней в поршневых насосах. В данном примере τ - это расстояние между двумя точкам А и С в теплопроводе 13, связывающими теплопровод 13 с камерами 5 и 6 цилиндра 1, или точками В и D, связанными с камерами 7 и 8 цилиндра 2, т.е. расстояние между точками теплопровода, связанными с камерами, угол сдвига давлений у которых различается на 180°. Поршни насосов 3 и 4 приводятся в движение с помощью двигателей (не показаны). Мгновенные значения давлений, создаваемых насосами давлений, подчинено гармоническому закону, определяемому формулой p=P_msin(ωt-ϕ), где P_m - амплитудное значение давления, в следующем порядке: для камеры 5 цилиндра 1 диаграмма давления обозначена цифрой 16 (фиг.4), для камеры 6 - цифрой 17, для камеры 7 цилиндра 2 - цифрой 18, а для камеры 8 цилиндра 2 - цифрой 19. Как видно из диаграмм фиг.4, сдвиг по фазе между движениями поршней соседних насосов равен 90°. Иными словами, сдвиг по фазе ϕ подчинен следующей закономерности: ϕ=-180°(i-1)/n, где i - порядковый номер точки сочленения теплопровода, рассчитываемый снизу - вверх, т.е. по ходу переноса тепловой энергии, n - число пар камер (фиг.1). При этом сдвиги по фазе давлений между камерами 5 и 7, 6 и 8 равны 180°. Эти камеры создают давление в противофазе по отношению друг к другу и расстояние между точками А и С или В и D, соединенными шлангами с теплопроводом этих пар, равно τ. В нижней части теплопровод 13 введен в теплоотдатчик 14. В верхней части теплопровод соприкасается с теплоприемником 15. Предполагается, что теплоприемник имеет систему утилизации или рассеяния тепла, а цилиндры снабжены системой охлаждения (не показано)

В варианте технического решения теплопровод 13 выполнен в виде змейки (фиг.2). Точки А, В, С и D располагаются на местах перегиба теплопровода. Причем расстояния между точками перегиба одинаковы и определяются теми же формулами, приведенными для прямолинейного теплопровода на фиг.1.

В варианте технического решения теплопровод 13 выполнен полым (фиг.3), и его внутреннее пространство заполнено жидким или газообразным теплоносителем с замкнутым циклом циркуляции, и также снабжен теплоотдатчиком 14 и теплоприемником 15.

Мгновенные значения давлений, создаваемых насосами давлений, как указывалось выше, подчинены гармоническому закону, определяемому формулой p=P_msin(ωt-ϕ), где P_m - амплитудное значение давления. Очевидно, что при сжатии газа в замкнутых полостях камер 5-8 температура газа будет повышаться. В то же время при разрежении газ в камерах будет охлаждаться. При этом температуры в точках сочленения А, В, С и D шлангов 9, 11, 10 и 12 с теплопроводом 13 будут колебаться по гармоническому закону, близкому к синусоидальному, и графики этих колебаний t=T_msin(ωt-ϕ), где T_{m -} амплитудное значение температуры, обозначены на фиг.4 следующим образом: для камеры 5 и соответственно точки А - 16, для камеры 6 и точки С - 17, для камеры 7 и точки В - 18 и для камеры 8 и точки D - 19.

Сдвиги по фазе ϕ колебаний температур соседних точек равны 90°, т.е. подчинены той же зависимости, что и для давлений, т.е. ϕ=-180°(i-1)/n, где i - порядковый номер точки сочленения шлангов с теплоносителем, рассчитываемый сверху вниз или слева направо (фиг.4), n - число пар точек, равное числу пар камер, τ=V/2f - полюсное деление, V - заданная скорость теплопередачи, f - частота колебаний поршней в поршневых насосах. На диаграмме вдоль оси t выделены вертикальными линиями моменты времени t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, t₆, t₇, t₈, t₉.

Эпюра пространственного и временного изменения температур (давлений) t=(p)=T_m(P_m)(ωt-ϕ) (фиг.5) в теплопроводе для четырех камер 5-8, представленных на фиг.1, с диаграммой температур (давлений) согласно фиг.4, выглядит следующим образом. В местах сочленения шлангов 9, 10, 11 и 12 с точками А, В, С и D теплопровода 13 будут создаваться мгновенные температуры, определяемые действием насосов с камерами 5-8. Результирующая волна температур, создаваемая в теплопроводе для момента времени t₁ (см. фиг.5), обозначена цифрой 20, для момента времени t₂ - цифрой 21, для момента времени t₃ - цифрой 22, для момента времени t₄ - цифрой 23, для момента времени t₅ - цифрой 24, для момента времени t₆, - цифрой 25 и для момента времени t₇ - цифрой 26.

Фиг.6 демонстрирует способ изменения перепада давления в трубопроводе в обратную сторону на примере системы, состоящей из двух двухкамерных, объемных поршневых насосов, каждый из которых содержит цилиндры 1 и 2. Цилиндры, как и на фиг.1, соединены с помощью шлангов соответственно 9 и 10, 11, 12 с теплопроводом 13. Помимо этого, камера 5 соединена патрубком 27 с теплопроводом 13 в той же точке (А), что и шланг 9, а камера 6 соединена с теплопроводом патрубком 28 в той же точке (С), что и шланг 10. Иными словами, патрубки соединяют камеры, угол мгновенных сдвигов давлений между которыми равен 180°, с точками теплопровода. В шлангах 9, 10 установлены электроуправляемые запорные клапаны соответственно 29, 30, а в патрубках 27 и 28 установлены электроуправляемые запорные клапаны соответственно 31 и 32.

Устройства согласно способу получения перепада температур действуют следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршней за счет приложения внешних сил в камерах 5-8 возникают знакопеременные гармонические колебания давлений со сдвигом по фазе. В результате в этих камерах имеет место знакопеременное изменение температур (фиг.4). Поскольку места приложения циклически нагреваемых и охлаждаемых точек теплопровода смещены по отношению друг к другу на определенный шаг, то в результате вдоль теплопровода 13 возникают бегущие тепловые волны, характер которых представлен на фиг.5. Рассмотрим момент времени t₁. В теплопроводе вдоль его оси будут создаваться результирующие температурные напоры, характер которых определяется графиком 20 (фиг.5). В момент времени t₂ результирующий график температурного напора вдоль теплопровода будет соответствовать кривой 21. Для момента времени t₃ этот график обозначен цифрой 22 и т.д. Если рассматривать и промежуточные моменты времени, то получим бегущую волну, амплитуда которой равна амплитуде температурного напора Т_m. Таким образом, благодаря сдвигу температур между точками теплопровода по фазе и смещению мест приложения этих температур, в теплопроводе 13 будет иметь место перемещающаяся вдоль него волна повышенного температурного напора, направление которого зависит от очередности работы цилиндров, а скорость движения волны определяется уравнением: V=2fτ (1). Аналогично будет действовать и система с n цилиндрами с 2n парами камер. При этом в теплоприемнике температура будет повышена, а в теплоотдатчике температура будет понижена. Конфигурацию теплопровода можно организовать так, чтобы места сочленения шлангов с ним находились недалеко друг от друга (фиг.2). При этом все задействованные цилиндры могут приводиться в движение от одного двигателя.

Регулировать скорость V переноса тепла можно двумя способами: изменением частоты f колебаний поршней в цилиндрах или изменением расстояний между точками в теплопроводе согласно формуле (1), т.е. изменением τ. Аналогичный эффект можно получить и для системы, в которой теплопровод выполнен змейкой (фиг.2), или для системы с использованием теплоносителя (фиг.3). Во всех схемах для утилизации тепла необходимо устройство для его отбора.

Реверсирование переноса тепловой энергии производят путем соответствующей перемены мест приложения температур в теплопроводе 13 так, чтобы в точках, угол сдвига мгновенных значений температур между которыми равен 360°/n, изменился на противоположное значение. Этот реверс производят за счет изменения направления движения приводного двигателя. Реверс может быть также осуществлен путем переключения соответствующих. клапанов в шлангах 9 и 10 и патрубках 27 и 28. Этот процесс выполняется следующим образом. Открываются клапаны 31 и 32 и затем закрываются клапаны 29 и 30.

Таким образом, если предложенное устройство используется в качестве кондиционера, то изменение направления переноса тепла может производиться без изменения направления движения приводного двигателя. Для этого достаточно переключить соответствующие клапаны.

Аналогично описанным выше будет действовать и система с полым теплопроводом (фиг.3), когда его внутреннее пространство заполнено жидким или газообразным теплоносителем с замкнутым циклом циркуляции. Однако в таком варианте процесс переноса тепла может проходить более интенсивно за счет конвекционных процессов. Данный способ допускает также использование процессов испарения и конденсации теплоносителя.

Достоинствами предложенного технического решения являются:

- широкая возможность регулирования скорости передачи тепловой энергии двумя способами, а именно изменением частоты колебаний поршней в цилиндрах и изменением расстояния между точками приложения температурных колебаний в теплопроводе;

- возможность реверсирования потока тепловой энергии без изменения направления движения приводного двигателя;

- повышение КПД системы, так как уменьшено число задействованных элементов в системе теплопередачи;

- повышение надежности системы теплопередачи, так как теплопровод может быть выполнен из сплошного теплопроводящего материала.

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в качестве теплового насоса для переноса тепловой энергии и охлаждения или нагрева различных объектов. Способ переноса тепловой энергии от теплоотдатчика к теплоприемнику осуществляют путем циклического нагрева и охлаждения теплопровода в расположенных вдоль его длины точках со сдвигом по фазе, равным ϕ=-180°(i-1)/n, где n - число пар точек, i - порядковый номер точки, L - расстояние между соседними точками в теплопроводе, равное τ/n, τ - полюсное деление, равное V/2f и равное расстоянию между точками, углы сдвига по фазе колебаний температур между которыми равны 180°, V - заданная скорость теплопередачи, f - частота цикла, причем порядковый номер точки, связанной с генератором, производящим колебания температуры, определяется по направлению движения тепловой энергии. Устройство для переноса тепловой энергии содержит теплоотдатчик, теплоприемник, теплопровод и элемент, подводящий к теплопроводу внешнюю энергию, выполненный в виде объемных возвратно-поступательных поршневых насосов. Внутренний объем насосов вместе со шлангами герметичен и заполнен газом. Точки теплопровода связаны шлангами с цилиндрами поршневых насосов. Использование изобретения позволит повысить надежность и КПД устройства. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ переноса тепловой энергии от теплоотдатчика к теплоприемнику за счет затраты энергии путем циклического нагрева и охлаждения теплопровода в расположенных вдоль его длины точках со сдвигом по фазе, равным ϕ=-180°(i-1)/n, где n - число пар точек; i - порядковый номер точки; L - расстояние между соседними точками в теплопроводе, равное τ/n; τ - полюсное деление, равное V/2f и равное расстоянию между точками, углы сдвига по фазе колебаний температур между которыми равны 180°; V - заданная скорость теплопередачи; f - частота цикла, причем порядковый номер точки, связанной с генератором, производящим колебания температуры, определяется по направлению движения тепловой энергии.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реверс переноса тепловой энергии производят изменением на противоположное значение угла сдвига фаз мгновенных температур между точками, угол сдвига мгновенных значений температур между которыми равен 360°/n.3. Устройство для переноса тепловой энергии, содержащее теплоотдатчик, теплоприемник, теплопровод и элемент, подводящий к теплопроводу внешнюю энергию, выполненный в виде объемных возвратно-поступательных поршневых насосов, отличающееся тем, что внутренний объем насосов вместе со шлангами герметичен и заполнен газом, точки теплопровода связаны шлангами с цилиндрами поршневых насосов, порядковый номер i цилиндра или точка теплопровода, связанного с цилиндром определяется по ходу движения тепловой волны, расстояние между соседними точками L в теплопроводе равно L=τ/n, τ=V/2f - полюсное деление, равное расстоянию между точками сочленения со шлангами в теплопроводе, связывающими цилиндры насосов, углы сдвига давлений по фазе между которыми равно 180°; n - число пар точек; V - заданная скорость движения тепловой энергии; f - частота колебаний поршней в поршневых насосах, причем угол сдвига фаз мгновенных температур, создаваемых насосами, равен ϕ=-180°(i-1)/n.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что теплопровод выполнен в виде змейки, а шланги подводятся в местах перегиба теплопровода.5. Устройство по любому из пп.3 и 4, отличающееся тем, что теплопровод выполнен полым и замкнутым, а его внутреннее пространство заполнено теплоносителем.6. Устройство по любому из пп.3 и 4, отличающееся тем, что в паре камер, угол сдвига мгновенных давлений между которыми равен 360°/n, шланги выполнены с ответвлениями в виде патрубков, в патрубках и шлангах установлены управляемые клапаны, патрубки соединены с теми же точками теплопровода, что и шланги, но в обратной последовательности.