СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕНОСА ТЕПЛА ОТ ПЕРВОЙ СРЕДЫ КО ВТОРОЙ Российский патент 2013 года по МПК F28D11/02 F25B29/00 

Данное изобретение относится к способу и устройству для переноса тепла от первой, относительно холодной среды, ко второй, относительно горячей, среде.

На существующих энергоустановках работу обычно получают посредством цикла Карно или «парового цикла», используя источник высокой температуры и источник низкой температуры (теплоотвод). На практике среду с высокой температурой, обычно перегретый пар, подают в турбину, которая производит работу; и затем этот пар конденсируют, нагревают (перегревают) и снова подают в турбину. То есть разность между количеством тепла, которое содержится в среде с высокой температурой, и количеством тепла, отведенным к источнику низкой температуры, превращают в работу, в соответствии с первым законом термодинамики.

При более значительной разности температур между источниками высокой и низкой температуры можно превратить в работу большее количество тепла, и эффективность процесса возрастает. Обычно в качестве источника низкой температуры (теплоотвода) служит окружающая среда (земля), а среду с высокой температурой создают путем сжигания ископаемых топлив или при проведении ядерных реакций.

DE 3238567 относится к устройству для получения разности температур для нагревания и охлаждения. Под воздействием внешней силы в газе создают разность температур. Путем использования центробежных сил и в случае газов с высоким молекулярным весом этот эффект возрастает до такой степени, что он представляет интерес для технического применения.

WO 03/095920 относится к способу передачи тепловой энергии, в котором тепловую энергию передают во внутреннюю камеру (3) вращающейся центрифуги через посредство первого теплообменника (4, 4а, 4b), и в этой внутренней камере (3) имеется передающая энергию газовая среда, при этом тепло выводят из центрифуги (2) через второй теплообменник (5; 5а; 5b). Количество применяемой энергии можно существенно снизить путем обеспечения внутри ротора (12) газовой среды для передачи энергии, находящейся в состоянии равновесия, и путем радиального направления потока тепла во внешнем направлении. Для изобретения, лежащего в основе WO 03/095920, является существенным предотвращение конвекции (стр.2, последнее предложение).

US 3902549 относится к ротору, смонтированному с возможностью вращения с высокой скоростью. В его центре расположен источник тепловой энергии, в то время как на его периферии расположен теплообменник. Имеются камеры, заключающие в себе газообразный материал, который, в зависимости от его положения в камерах, может принимать тепло от источника тепловой энергии или отдавать тепло теплообменнику.

Предметом данного изобретения является обеспечение способа эффективного получения среды с высокой температурой.

С этой целью способ по данному изобретению включает следующие стадии:

вращение содержащейся в некотором объеме сжимаемой текучей среды вокруг оси вращения для создания таким образом радиального градиента температуры в текучей среде, и

нагревание второй среды посредством текучей среды в зоне, относительно удаленной от оси вращения.

В одном из воплощений данное изобретение дополнительно включает стадии извлечения тепла из первой среды (то есть охлаждение этой первой среды) посредством текучей среды в зоне у оси вращения или относительно близко к ней.

Полученные таким образом горячую и холодную среды, в свою очередь, можно использовать, например, для нагревания или охлаждения здания, или для получения электричества посредством, например, цикла Карно или «парового цикла».

Эффективность способа по данному изобретению можно дополнительно увеличить, если тщательно перемешивать участки текучей среды, выделенные в радиальном направлении, для получения по меньшей мере по существу постоянной энтропии на этих участках, увеличивая, таким образом, теплопроводность в текучей среде.

К тому же теплопроводность и, следовательно, эффективность увеличивается с ростом давления и плотности текучей среды. Так, предпочтительно иметь давление выше 0,2 МПа (2 бар) (на оси вращения), а более предпочтительно выше 1 МПа (10 бар) (на оси вращения). Соотношение давления на периферии и давления на оси вращения предпочтительно составляет более 5, а более предпочтительно более 8.

Данное изобретение дополнительно относится к устройству для переноса тепла от первой, относительно холодной, среды ко второй, относительно горячей среде, включающему газонепроницаемый барабан, установленный на раме с возможностью вращения, и

первый теплообменник, установленный внутри барабана относительно далеко от оси вращения барабана, например, во внутренней стенке барабана.

В одном из воплощений данного изобретения устройство включает второй теплообменник, установленный у оси вращения или относительно близко к оси вращения.

В другом воплощении устройство включает одну или более по меньшей мере по существу цилиндрическую или коаксиальную стенки, разделяющие в радиальном направлении внутреннюю часть барабана на ряд отделений.

В дополнительном воплощении изобретения по меньшей мере один из теплообменников связан с циклом для получения работы. Дополнительный цикл может включать испаритель или пароперегреватель, который термически связан с высокотемпературным теплообменником, конденсатор, термически связанный с низкотемпературным теплообменником, и тепловой двигатель. Обычно окружающая среда служит теплоотводом, но она может служить и источником высокой температуры, если рабочая температура цикла является достаточно низкой.

В еще одном дополнительном воплощении изобретения сжимаемая текучая среда представляет собой газ и предпочтительно содержит по существу одноатомный элемент, или состоит по существу из одноатомного элемента, с атомным номером (Z) более или равным 18, такой как аргон, а предпочтительно более или равным 36, такой как криптон и ксенон.

Изобретение основано на понимании того, что, хотя обычно тепло протекает от области более высокой энтропии к области более низкой энтропии, следовательно, от более высокой температуры к более низкой, в столбе изоэнтропической сжимаемой жидкости, помещенном в поле тяжести, тепло также течет от области более низкой энтропии к области более высокой энтропии. В атмосфере земли этот эффект уменьшает вертикальный градиент температуры до фактического значения 6,5°С/км, в отличие от расчетного значения 10°С/км. Гидроэнергетика основана на таком же принципе.

Пониженное термическое сопротивление дополнительно увеличивает тепловой поток от более низкой к более высокой температуре.

В соответствии с по меньшей мере некоторыми аспектами данного изобретения искусственную силу тяжести применяют для уменьшения длины столба сжимаемой текучей среды по сравнению со столбом, на который действует просто сила тяжести земли, а атмосферу заменяют газом, позволяющим создать значительно более высокий градиент температуры в текучей среде. Для увеличения теплопроводности в текучей среде применяют перемешивание.

В рамках данного изобретения термин «градиент» определяют как непрерывное или ступенчатое увеличение или уменьшение величины какого-либо свойства, наблюдаемое при прохождении от одной точки к другой, например, по радиусу цилиндра.

Из соображений полноты следует отметить, что патент US 4107944 относится к способу и устройству для осуществления нагревания и охлаждения путем циркуляции перемещаемой роторами рабочей текучей среды в каналах, сжатия указанной рабочей текучей среды в этих каналах, и удаления тепла из указанной рабочей текучей среды в теплообменнике для удаления тепла, и добавления тепла к указанной рабочей текучей среде в теплообменнике для добавления тепла, причем все это осуществляют указанные роторы. Рабочая текучая среда содержится герметично внутри устройства, и это может быть соответствующий газ, например азот. Теплообменник для рабочей среды обеспечен также для произведения обмен тепла внутри ротора, между двумя потоками указанной рабочей текучей среды.

US 4005587 относится к способу и устройству для переноса тепла от источника низкотемпературного тепла к теплоотводу с более высокой температурой с использованием сжимаемой рабочей текучей среды, которую сжимают центробежной силой внутри вращающегося ротора при соответствующем повышении температуры. Тепло переносят от нагретой рабочей среды к теплоотводу, имеющему более высокую температуру, и после расширения и охлаждения посредством более холодного источника тепла тепло добавляют в рабочую текучую среду. Охлаждение в пределах ротора обеспечивают для регулирования плотности рабочей текучей среды, чтобы способствовать ее циркуляции.

Подобные же способы и устройства известны из US 3828573, US 3933008, US 4060989 и US 3931713.

WO 2006/119946 относится к устройству (70) и способу переноса тепла из первой зоны (71) во вторую зону (72) с применением подвижных (часто газообразных или парообразных) атомов или молекул (4), для которых, в одном из примеров реализации, хаотическое движение атомов/молекул, которое обычно препятствует переносу тепла за счет простого движения молекул, преодолевают путем использования предпочтительно продолговатых наноразмерных ограничителей (33) (например, углеродных нанотрубок), чтобы выровнять атомы/молекулы и затем подвергнуть их ускоряющей силе в направлении, в котором должно быть перенесено тепло. Ускоряющая сила предпочтительно является центростремительной. В альтернативном примере молекулы (4с) в наноразмерных ограничителях могут быть организованы так, чтобы переносить тепло посредством колебаний, направленных поперек продольного размера удлиненных ограничителей (40).

JP 61165590 и JP 58035388 относятся к тепловым трубкам вращающегося типа. US 4285202 относится к промышленным способам преобразования энергии, включающим по меньшей мере одну стадию, которая заключается в воздействии на рабочую текучую среду таким образом, чтобы осуществлять или сжатие, или расширение.

Ниже данное изобретение объяснено более подробно со ссылкой на чертежи, которые схематически изображают предпочтительное воплощение изобретения.

Фиг.1 и 2 представляют собой общий вид и вид сбоку первого воплощения устройства по данному изобретению.

Фиг.3 представляет собой поперечное сечение барабана, применяемого в воплощении, показанном на Фиг.1 и 2.

Фиг.4 представляет собой поперечное сечение второго воплощения устройства по данному изобретению.

Фиг.5 представляет собой технологическую схему энергетической установки, включающей воплощение изобретения по Фиг.4.

Идентичные детали и детали, осуществляющие одинаковые или по существу одинаковые функции, обозначены одинаковыми числовыми позициями.

На Фиг.1 изображен экспериментальный комплект устройства 1 с искусственной силой тяжести в соответствии с данным изобретением. Устройство 1 включает стационарную несущую раму 2, надежно размещенную на полу, и вращающийся стол 3, установленный на несущей раме 2. Средства приведения в движение, например, электродвигатель 4, установлены на несущей раме 2 и связаны с вращающимся столом 3. Для того чтобы снизить сопротивление среды, к вращающемуся столу 3, по его окружности, прикреплена кольцеобразная стенка 5. Кроме того, к вращающемуся столу 3 прикреплен цилиндр 6, проходящий в радиальном направлении.

Как показано на Фиг.3, цилиндр 6 включает центральное кольцо 7, два (Perspex™) внешних цилиндра 8, два (Perspex™) внутренних цилиндра 9, установленных коаксиально внутри внешних цилиндров 8, две концевых пластины 10 и ряд фиксирующих элементов 11, которыми концевые пластины 10 притянуты к цилиндрам 8, 9, а цилиндры 8, 9, в свою очередь, к центральному кольцу 7. Цилиндр 6 имеет общую длину 1,0 м. Фиг.3 приведена для оценки масштаба.

Просвет, ограниченный центральным кольцом 7, внутренними цилиндрами 9 и концевыми пластинами 10, заполнен ксеноном при температуре окружающей среды и давлении 0,15 МПа (1,5 бар), и дополнительно содержит ряд смесителей или вентиляторов 13. Наконец, на внутренней стенке кольца 7 установлен элемент Пельтье (не показан), а как на кольце 7, так и на кольцевых пластинах 10 имеются датчики температуры и измерители давления (также не показаны).

В ходе работы вращающийся стол 3 и, следовательно, цилиндр 6 вращают со скоростью примерно 1000 об/мин. Радиальные участки текучей среды тщательно перемешивают посредством вентиляторов 12 для получения по меньшей мере по существу постоянной энтропии на этих участках. Поскольку процесс является обратимым и ввиду термической изоляции, обеспеченной внутренним и внешним цилиндрами 8, 9, что позволяет проводить процессы по существу адиабатически, теплоперенос внутри цилиндра 6, от оси вращения к периферии и наоборот, является по существу изоэнтропическим.

При вращении температура и давление ксенона на концевых пластинах 10 возрастают, а температура и давление на кольце 7 падает. Когда, при достижении равновесия, посредством элемента Пельтье в газ на кольце 7 посылают ступенчатый тепловой импульс, температура и давление на кольце 7 возрастают и, последовательно, температура и давление на концевых пластинах 10 возрастают, то есть тепло течет от источника, имеющего относительно низкую температуру (газ на кольце) к источнику, имеющему относительно высокую температуру (газ на концевых пластинах).

На Фиг.4 показано поперечное сечение второго воплощения устройства 1 с искусственной силой тяжести в соответствии с данным изобретением. Устройство 1 включает стационарную опорную раму 2, надежно размещенную на полу, и вращающийся барабан 6, установленный на опорной раме 2 с возможностью вращения вокруг своей продольной оси, например, посредством соответствующих подшипников, таких как шариковые подшипники 20. Приемлемый диаметр барабана 6 находится в диапазоне от 2 до 10 метров, в этом примере составляет 4 метра. Стенка барабана термически изолирована известным способом. Устройство 1 дополнительно включает средства приведения в движение (не показано), чтобы вращать барабан со скоростями в диапазоне от 50 до 500 об/мин.

Барабан 7 содержит (по меньшей мере) два теплообменника; первый теплообменник 22 установлен внутри барабана, относительно далеко от оси вращения барабана 7, а второй теплообменник 23 размещен у указанной оси или относительно близко к ней. В этом примере оба теплообменника 22, 23 включают свернутую в спираль трубу, коаксиальную с осью вращения, и соединены со входом через первое гидравлическое соединение 24 по способной к вращению текучей среде, и посредством второго гидравлического соединения 25 по способной к вращению текучей среде - с выходом.

Показанное на Фиг.4 воплощение изобретения дополнительно включает трубку 26, коаксиальную с продольной осью барабана 7 и содержащую распложенный по оси вентилятор 27 для принудительной циркуляции содержимого барабана. В этом примере барабан заполнен ксеноном под давлением 0,5 МПа (5 бар) (при температуре окружающей среды), а теплообменники 22, 23 заполнены водой.

На Фиг.5 показана схема размещения энергетической установки, включающей воплощение изобретения, показанное Фиг.4, связанное с циклом для производства работы, в данном примере с так называемым «паровым циклом». Цикл включает пароперегреватель 30, соединенный с высокотемпературным теплообменником 22 устройства 1, тепловой двигатель, известный сам по себе и включающий в данном примере турбину 31, конденсатор 32, соединенный со вторым теплообменником 23 устройства 1, насос 33 и испаритель 34. Паровой цикл также заполнен водой. В данной области техники известны также и другие подходящие среды.

Вращение барабана создает радиальный температурный градиент в ксеноне с разностью температур (ΔT) между теплообменниками в диапазоне от 100°С до 600°С, в зависимости от угловой скорости барабана. В этом примере барабан вращают со скоростью 350 об/мин, что приводит к разности температур (ΔТ) примерно 300°С. В оба теплообменника 22, 23 подают воду при 20°С. Нагретый пар (320°С) из высокотемпературного теплообменника 22 с подают в пароперегреватель 30, в то время как охлажденную воду (10°С) из низкотемпературного теплообменника 23 подают в конденсатор 32. Паровой цикл производит работу известным способом.

В другом воплощении изобретения устройство включает два или более барабанов, соединенных последовательно или параллельно. Например, в конфигурации, включающей два барабана, соединенных последовательно, нагретую среду из первого барабана подают в низкотемпературный теплообменник второго барабана. В результате перенос тепла к высокотемпературному теплообменнику во втором барабане существенно возрастает по сравнению с переносом тепла в первом барабане. Охлажденную среду из первого барабана можно использовать в качестве охлаждающей среды, например, в конденсаторе.

В другом воплощении изобретения в качестве альтернативы или в дополнение к вышеупомянутой трубке (26) устройство включает ряд по меньшей мере по существу цилиндрических и коаксиальных стенок, разделяющих внутреннее пространство барабана на ряд отделений. Текучую среду в каждом отделении тщательно перемешивают, например, посредством вентиляторов или стационарных элементов, так, чтобы установить по существу постоянную энтропию внутри каждого из этих отделений и, таким образом, повысить массоперенос внутри каждого из отделений. В результате получают ступенчатый и отрицательный в радиальном направлении от центра градиент энтропии, что позволяет осуществить теплоперенос от оси вращения барабана к его окружности.

Стенки, взаимно разделяющие отделения, могут быть сплошными, таким образом предотвращая массоперенос из одного отделения в следующее, или могут быть открытыми, например, в виде металлической сетки или сита, таким образом допуская ограниченный массоперенос. Стенки также могут быть снабжены выступами и/или другими характерными особенностями, которые увеличивают площадь поверхности и, таким образом, теплоперенос между отделениями.

В еще одном воплощении изобретения от центра к периферии барабана протекает дополнительная жидкость, например, внутри радиально расположенных труб, таким образом увеличивая потенциальную энергию и давление. Эта жидкость высокого давления приводит в движение генератор, например (гидро)турбину, а затем ее испаряют посредством относительно горячей сжимаемой текучей среды (например, ксенона) на внутренней стенке барабана или вблизи нее. Полученный таким образом пар переносят обратно к центру барабана, по меньшей мере частично, путем использования его собственного расширения, и конденсируют посредством относительно холодной сжимаемой жидкости. Этот пример реализации можно использовать для прямого приведения генератора в действие.

Данное изобретение не ограничено вышеописанными воплощениями, которые в пределах сущности и объема формулы изобретения могут многообразно изменяться. Например, в теплообменниках барабана можно применять и другие среды, такие как диоксид углерода, водород и CF₄.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в энергоустановках. Изобретение относится к способу переноса тепла от первой, относительно холодной, среды ко второй, относительно горячей, среде, включающему стадии вращения содержащейся в некотором объеме (6) сжимаемой текучей среды вокруг оси вращения для создания таким образом радиального градиента температуры в этой среде, и нагревания второй среды посредством текучей среды в секции текучей среды, относительно удаленной от оси вращения. Данное изобретение также относится к устройству для осуществления указанного способа. Технический результат - эффективное получение среды с высокой температурой. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ переноса тепла от первой, относительно холодной, среды ко второй, относительно горячей, среде, включающий стадии:
вращение содержащейся в некотором объеме (6) сжимаемой текучей среды вокруг оси вращения для создания таким образом радиального градиента температуры в текучей среде, и
нагревание второй текучей среды посредством текучей среды в зоне текучей среды, относительно удаленной от оси вращения, отличающийся тем, что сжимаемая текучая среда находится под давлением свыше 0,2 МПа (2 бар), измеренным у оси вращения.

2. Способ по п.1, включающий стадию извлечения тепла из первой среды посредством текучей среды в зоне у оси вращения или относительно близко к ней.

3. Способ по п.1, в котором участки текучей среды тщательно перемешивают (12; 27).

4. Способ по п.1, в котором сжимаемая текучая среда находится под давлением свыше 1 МПа (10 бар).

5. Способ по п.1, в котором сжимаемую текучую среду содержат в барабане диаметром по меньшей мере 1,5 м и вращают со скоростью по меньшей мере 50 об/мин, предпочтительно по меньшей мере 100 об/мин.

6. Способ по п.1, в котором посредством по меньшей мере первой среды, предпочтительно посредством как первой, так и второй сред, а предпочтительно посредством цикла Карно или парового цикла (30-34) производят работу.

7. Способ по п.1, включающий две или более выполняемых последовательно или параллельно стадий вращения содержащейся в некотором объеме (6) сжимаемой текучей среды вокруг оси вращения.

8. Способ по п.1, дополнительно включающий стадии:
обеспечение дополнительной жидкости для протекания в направлении от оси вращения,
приведение в действие генератора посредством этой жидкости,
испарение жидкости посредством текучей среды в зоне текучей среды, относительно удаленной от оси вращения,
перекачивание пара по направлению к оси вращения, и
конденсирование пара посредством текучей среды в зоне у оси вращения или относительно близко к ней.

9. Способ по любому из предшествующих пп.1-8, в котором сжимаемая текучая среда содержит по существу одноатомный элемент или состоит из по существу одноатомного элемента, с атомным номером (Z) более или равным 18, предпочтительно более или равным 36.

10. Устройство (1) для переноса тепла от первой, относительно холодной, среды ко второй, относительно горячей среде, включающее газонепроницаемый барабан, установленный на раме с возможностью вращения, и
первый теплообменник (22), установленный внутри барабана (6) относительно далеко от оси вращения барабана, отличающееся тем, что барабан содержит сжимаемую текучую среду, и устройство выполнено с возможностью работы при давлении текучей среды свыше 0,2 МПа (2 бар), измеренном у оси вращения.

11. Устройство (1) по п.10, включающее второй теплообменник (23), расположенный у оси вращения или относительно близко к ней.

12. Устройство (1) по п.10, включающее одну или более по меньшей мере по существу цилиндрических и коаксиальных стенок, разделяющих внутреннее пространство барабана (6) на ряд отделений.

13. Устройство (1) по п.10, в котором по меньшей мере один из теплообменников (22, 23) включает свернутую в спираль трубку, коаксиальную с осью вращения.

14. Устройство (1) по любому из пп.10-13, в котором по меньшей мере один из теплообменников (22, 23) связан с циклом (30-34) для производства работы.