RU2086875C1 - Method of contactless transfer of heat - Google Patents

Abstract

FIELD: heat transfer systems; separation of solutions into components by sublimation with no consumption of thermal energy and practically with additional facilities required for realization of this method. SUBSTANCE: low-boiling fraction of solution of is used as intermediate heat-transfer agent by "thermal tube" principle. This fraction is boiled away from solution near wall through which heat is delivered to solution from working body and is condensed on wall through which heat is transferred to another working body; separated fractions of solution may be changed by solution proper through heat exchangers where fractions and solutions run through cooled and heated chamber in counter-flow. Fixed gases dissolved in solution may be sucked constantly or solution may be preliminarily degassed by letting if flow by gravity to evacuated system, for example to heating vacuum-vapor system. EFFECT: higher efficiency. 3 cl

Description

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. The invention relates to energy, in particular, to heat transfer between working fluids, and can be widely used for simultaneously dividing solutions into their components by sublimation without any special expenditure of thermal energy for this process.

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. There are two industries that are currently virtually unconnected, but dealing with large flows of thermal energy. This is the industry of heat exchangers and heating systems and the industry for the separation of various solutions into their components by the method of sublimation, in which the production of fresh water from sea water occupies a large place.

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. The essence of the invention is to combine the heat transfer processes from one working fluid to another with the processes of separation of various solutions into their components so that the heat-intensive processes of sublimation of the evaporated components of the solutions are done without any heat consumption, i.e. Sublimation is carried out ideally without anything and without any expenditure of energy.

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). In particular, for the desalination of sea water, relatively cheap types of thermal energy are widely used. For example, atomic desalination plants were built in the city of Shevchenko, and solar energy is used in the simplest distiller-basin (Fig. 6.7, p. 126 of the book by J. Twidell and A. Weir, "Renewable Energy Sources", M. Energoatomizdat, 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. In general, scientists have come to terms with the fact that sublimation requires heat, and we can only talk about saving this heat, which they have been doing so far. In support of this, one can point to an alternative approach, which consists in using a multi-stage distiller, in which the heat obtained by condensation of distilled fresh water is used to evaporate a second portion of salt water. The heat generated by the condensation of the second portion of water, in turn, is used to evaporate the third portion of water, etc. The practical use of such evaporators is limited by the incompleteness of heat transfer due to the complexity of the system (ibid., P. 128). Another way of saving thermal energy is its transformation in heat pumps and refrigerators using high potential heat (diagram in Fig. 7.19, p. 261 of the book by A. I. Andryushchenko “Fundamentals of thermodynamic cycles of thermal power plants”, M. Higher School, 1985). So, it is proposed (ibid., P. 263) to produce steam-jet thermal transformers for desalination of sea water in hot regions of the country by its evaporation using this scheme. In this case, the vessel with sea water serves as the evaporator, where it evaporates under vacuum due to the heat of the environment. Vacuum in the evaporator is created by a steam-jet ejector operating on a pair of high pressure from a turbine extraction or on a sharp pair from a boiler.

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. In the case of a solar multi-stage distiller-pool, scientists almost came close to an ideal solution to the energy problem for the sublimation process: how much heat is spent on the evaporation of the liquid, the same amount is returned during condensation, and at the same temperature, if the processes of evaporation and condensation occur at one the same pressure, but they did not overcome structural difficulties to prevent incomplete heat transfer.

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.In the case of a steam-jet thermotransformer-desalination of sea water, scientists, as they say, partially used the heat of a whole ocean of thermal energy from the environment, but forgot that vacuum can be created without spending mechanical energy, for which it is necessary to spend several times more heat energy, with high potential. Why is it proposed to select high pressure steam from a steam turbine to drive a steam jet ejector, if the vacuum (up to 0.97 kgf / cm ² ) behind the steam turbine is created simply due to the presence of a steam condenser? Indeed, the pressure of saturated vapor of a liquid, and consequently, vacuum is a function of only the temperature of the liquid, and therefore, if there is a temperature difference of at least a few degrees, for example, between the sea and the atmosphere, and in the more general case when there is heat flow between any working fluid, to be artificially created for completely different purposes, for example, heat recovery or simply transferring it from one working fluid to another in any heat-power plants, the prerequisites are created for creating an ideal marine desalination plant water, and more generally a separator of any solutions to their components.

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. An ideal, in particular, desalination of sea water can be recognized as one that does not spend thermal energy, and any system for this is not required. With such a system, its main function is completely different, for example, to transfer heat to the consumer.

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. In this regard, we recall the existing heat transfer systems, in particular, in the most popular heating systems: water, steam and air. Of these, the steam system is of interest to us, in which the processes of evaporation and condensation are realized, i.e. those processes that occur during desalination of sea water. In fact, it implements the well-known principle of a “heat pipe”, when heat of a boiling liquid is transferred through one wall of a “heat pipe”, its vapor passing through the pipe condenses on another wall, giving the consumer the heat of condensation of the liquid, and the liquid again returns to the first wall, for example, along the wick.

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. In a steam heating system, water condensed in heating radiators is returned to the steam boiler by a condensation pump, and in comparison with a water heating system (heat transfer), it also has the following advantages: lower costs for installing the system, less material consumption, low inertia when the mode is switched off systems and low hydrostatic pressure, allowing the use of a steam heating system in high-rise buildings.

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). Closest to the claimed is a known method of transferring heat from one working fluid to another according to the principle of "heat pipe", which consists in the fact that the heat of the working fluid is transferred through the wall to a boiling coolant in the form of a solution, the low-boiling fraction of which is condensed on another wall, through which it is transferred heat to the consumer using another working fluid (A.S. N 354401, F28D 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. In order to separate solutions into fractions without significant expenditures of heat energy, the known method of non-contact heat transfer from one working fluid to another by the principle of “heat pipe” is that the available heat of the working fluid is transferred through the wall to a boiling coolant, the vapor of which is already condensed to another the wall through which heat is transferred to another working fluid will be supplemented with essential features, namely, that the solution that is necessary as the intermediate heat transfer medium o divided into its components, feed it into the boiling zone to the wall through which heat from the working fluid flows, the light fraction of the solution is condensed with less vapor pressure on the wall, through which heat is transferred to another working fluid, and then the separated fractions are removed from the walls as simultaneously and sequentially if there are several fractions in the solution.

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. In order to eliminate heat loss by its consumers when replacing the separated fractions of the solution with the solution itself, the proposed method of heat transfer can be supplemented with essential features, namely, that the replacement of the separated fractions of the solution with the solution itself is carried out through heat exchangers, the fractions and solution in the cavities are cooled and heated media which are carried out by the counterflow method.

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.For example, to heat 1 kg of water to 100 ^o C (the beginning of boiling), it is necessary to spend 100 kcal of heat, while 540 kcal of heat must be used to evaporate it, and therefore, a steam heating system would lose up to 15% of the heat, but also desalinate sea water, if sea water would be supplied at 0 ^o C, and fresh water taken at 100 ^o C.

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.The light fractions of the solutions to be separated can have very different boiling points at atmospheric pressure, and according to the technical conditions, the heat transfer temperature must be quite certain, in particular, 80-90 ^o C for a steam heating system, so that the dust deposited on the heating radiators does not decompose and does not violate the environmental system requirements.

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). In other words, during the separation, for example, in steam heating systems of various solutions, a completely definite, but different pressure for different solutions should be maintained in it. It is good if, at a given heat transfer temperature, the selected solution boils at a pressure above atmospheric. In this case, it is enough just to seal the system, and the set boiling point will be achieved due to spontaneous increase in pressure in the system. If the vapor pressure of the light fraction of the solution at a given temperature is lower than atmospheric pressure, sealing the system alone is not enough, since at least a constant partial pressure of air in the system (1 ata) will not allow the solution to boil at a given temperature, since the system must create a vacuum, or, in other words, remove air from it, including previously dissolved in the solution in accordance with the Dalton law, at least to such an extent that the vapor pressure of the solution at the set temperature exceeded the partial air pressure in the system, as is done in the well-known vacuum-steam room heating systems (Fig. VI.II, p. 301 of the book by PN Kamenev et al. "Heating and ventilation" part 1. M. Stroyizdat, 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. In this regard, the proposed method of heat transfer should be supplemented with essential features, namely, that from the condensation zone of light vapor of the solution fraction, extraneous non-condensable gases dissolved in the solution are periodically or constantly sucked out or the solution is deliberately degassed and supplied to a system that has been evacuated in advance.

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. When implementing all the essential features of paragraphs. 1-3 of the claims, it is possible to ensure the separation of any solutions into their fractions practically without the expense of thermal energy along with heat transfer between any working fluid at any given temperature, including practically without creating structural means to ensure this, as can be the case already existing vacuum-steam heating systems.

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. The widespread use of the proposed method of heat transfer of the method of separation of solutions into their fractions, can significantly reduce the cost of separation of solutions into their fractions; to increase the possibilities, for example, of existing vacuum-steam heating systems by desalinating sea water or separating milk into cream and water, while increasing the life of the system, since there are practically no salts in milk that cause a small resource of vacuum-steam heating systems based on water; save a significant amount of thermal energy or reduce global demand for it; to divide into fractions those solutions that were not previously separated due to economic inexpediency; decentralize or demopolize the implementation of technologies for dividing solutions into their fractions up to an individual family.

Claims (3)

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. 1. The method of non-contact heat transfer from one working fluid to another according to the principle of "heat pipe" or steam heating systems, which consists in the fact that the available heat of the working fluid is passed through the wall to a boiling coolant in the form of a solution, the low-boiling fraction of which is already condensed on another wall, through which heat is transferred to its consumer using another working fluid, characterized in that, for the purpose of passing heat to the consumer, separation of solutions into fractions of their components without the cost of this heat solutions, which must be divided into fractions for external separate consumption, set the partial pressure of a neutral gas, such as air, in the entire cavity of the heat pipe or steam heating system is lower than the low-boiling vapor pressure fraction of the solution, but greater than the vapor pressure of the high boiling fraction at a given temperature and heat transfer power, and the condensate low boiling and high boiling fraction ra the solution at the walls of the heat pipe or steam heating system, through which heat transferred to the consumer is respectively given and received, is separately removed both continuously and simultaneously with two fractions of the solution, and discretely-sequentially if there are three or more fractions of the solution. 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. 2. The method according to claim 1, characterized in that the replacement of the separated fractions by a solution is carried out through heat exchangers, the flow of fractions and solution in the cavities in the cooled and heated media which is carried out countercurrently. 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. 3. The method according to claim 1, characterized in that from the zone of vapor condensation of the light fraction of the solution, the permanent non-condensable gases dissolved in the solution are periodically or constantly sucked out or pre-degassed and fed to the evacuated system.