Исследование функциональных характеристик элементов насоса теплового действия и повышение его производительности для использования в системах транспортировки теплоты и энергоносителей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.01, кандидат наук Савченкова, Наталья Михайловна

• Савченкова, Наталья Михайловна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Савченкова, Наталья Михайловна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ 13 ПУЛЬСАЦИОННЫХ ТЕПЛОМАССОПЕРЕДАЮЩИХ СИСТЕМ

1.1 Принципы функционирования двухфазного 13 тепломассопередающего устройства

1.2 Классификация тепломассопередающих систем

1.2.1. Устройства с понижением давления в испарителе

1.2.2. Устройства с повышением давления в аккумуляторе

1.2.3. Устройства с отсутствием разницы давления

ГЛАВА 2. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- 38 И МАССОПЕРЕНОСА В ДВУХФАЗНОМ ВЫТЕСНИТЕЛЬНОМ НАСОСЕ ТЕПЛОВОГО ДЕЙСТВИЯ

2.1 Описание экспериментальной установки

2.2 Методы повышения производительности насоса теплового 45 действия

2.2.1 Конструктивные методы увеличения производительности насоса

2.2.2 Использование эжектора для уменьшения продолжительности 50 этапа доиспарения. Уменьшение времени рабочего цикла за счет эжекционного отсоса жидкости из испарителя

2.3 Оптимизация рабочих параметров НТД

2.3.1 Влияние температуры жидкости внешнего контура на 55 продолжительность периода низкоамплитудных колебаний

2.3.2 Влияние тепловой нагрузки на продолжительность цикла

2.3.3 Влияние характеристик обратных клапанов на работу системы

2.4 Результаты исследований

ГЛАВА 3. ФИЗИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ЭЛЕМЕНТАХ НАСОСА ТЕПЛОВОГО ДЕЙСТВИЯ

3.1 Минимальные условия работоспособности насоса теплового 75 действия по тепловой нагрузке

3.2 Определение необходимой тепловой нагрузки для обеспечения 85 функционирования эжектора

3.3 Динамика изменения параметров испарителя в осушенном 86 состоянии и конденсатора-аккумулятора

3.3.1 Условия работоспособности НТД при нагреве испарителя

3.3.2 Условия работоспособности НТД при охлаждении конденсатора- 89 аккумулятора

3.4 Моделирование нестационарного процесса заполнения 94 конденсатора-аккумулятора рабочей жидкостью

3.5 Моделирование нестационарного процесса заполнения испарителя 100 рабочей жидкостью

ГЛАВА 4. ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ТЕПЛОМАССОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

4.1 Использование двухфазного пульсационного насоса теплового 104 действия в бинарном контуре ГеоТЭС

4.2 Использование насосов теплового действия в системах 107 обеспечения холодом

4.2.1 Перекачивающие насосы в парокомпрессионных аммиачных 107 холодильных установках

4.2.2 Перекачивающие насосы в парокомпрессионных фреоновых 110 холодильных установках

4.2.3 Безнасосные фреоновые эжекторные холодильные машины

4.3 Применение пульсационных контуров в отопительных системах

4.4 Использование насосов теплового действия в солнечных системах 117 тепло- и хладоснабжения

4.4.1 Использование пульсационных систем для установок 118 кондиционирования воздуха

4.4.2 Двухфазные антигравитационные термосифоны с 119 использованием солнечной энергии для систем теплоснабжения

4.5 Системы охлаждения защитных оболочек реактора АЭС с 122 использованием НТД

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Список использованных источников

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование функциональных характеристик элементов насоса теплового действия и повышение его производительности для использования в системах транспортировки теплоты и энергоносителей»

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях развития энергетического комплекса с учетом роста энергопотребления и тарифов и целей, поставленных в Энергетической стратегии России и ФЗ-261 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности...» актуальными становятся задачи повышения надежности и энергетической эффективности систем тепло- и холодоснабжения.

Одним из способов решения поставленных задач является применение устройств, использующих возобновляемые источники энергии (ВИЭ) и вторичные энергетические ресурсы (ВЭР), что способствует обеспечению энергетической безопасности и снижению негативного влияния на окружающую среду за счет экономии органического топлива.

Эти источники могут быть использованы в качестве тепловых приводов для таких важных элементов энергетических систем, как нагнетательное оборудование, которое работает, в основном, от электрической энергии.

Предлагаемые в работе двухфазные тепломассопередающие системы могут работать автономно, а также для замещения или резервирования уже существующих электромеханических нагнетателей с целью повышения общей надежности системы и снижения энергопотребления.

В настоящее время известен обширный ряд двухфазных тепломассопередающих систем, успешно применяемых на практике при разработке систем обеспечения теплового режима различных объектов, создании энергосберегающих теплотехнологических процессов и оборудования. К их числу относятся термосифоны и тепловые трубы, двухфазные циркуляционные контуры с капиллярными, механическими и вытеснительными насосами.

В отличие от двухфазных теплопередающих систем, функционирующих в стационарных режимах, наименее изучены процессы тепло- и массопереноса в циркуляционных системах открытого или замкнутого типа с пульсационными вытеснительными насосами, в которых основным побудителем движения жидкости является периодически изменяющееся давление пара рабочей жидкости в некотором ограниченном объеме, частично заполненном жидкостью, при постоянном подводе теплоты к испарительной зоне. Источником пульсаций давления в насосе теплового действия (НТД) является изменение условий теплообмена с окружающей средой в конденсационной зоне устройства при движении в ней жидкостного «поршня».

Аналитического решения задачи сопряженного тепло- и массопереноса в подобных динамических условиях в настоящее время не существует, поэтому прогнозирование функциональных характеристик НТД для различных практических задач невозможно.

Известные методы расчета динамических характеристик НТД ограничены, носят эмпирический характер, так как основываются на экспериментальных исследованиях устройств с фиксированными конструктивными и функциональными параметрами, и, следовательно, не могут быть применены для проектирования других подобных устройств, отличающихся формой, размерами и условиями тепловой связи с окружающей средой.

Отсутствуют также методы определения условий работоспособности НТД для достижения заданной производительности, не определены способы ее повышения.

Анализ литературных источников и обзор диссертационных работ по теме диссертационной работы автора показал, что поставленные в диссертационной работе задачи в настоящее время не решены. Все вышеизложенное подтверждает актуальность представленной диссертационной работы.

Объект исследования:

Объектом исследования является насос теплового действия (НТД) -тепломассопередающее устройство, предназначенное для работы в системах транспортировки теплоты и энергоносителей.

Это устройство периодического действия выполняет насосную функцию, перекачивая заданный объем жидкости из конденсатора-аккумулятора в систему за счет испарения малого количества жидкости при подведении к испарителю тепловой энергии от любого источника. Цель работы:

Исследование функциональных характеристик элементов насоса теплового действия для определения условий его работоспособности при заданных параметрах тепловой связи с источником нагрева и с окружающей средой и повышение его производительности за счет совершенствования конструкции при применении в области энерго- и ресурсосбережения и использовании нетрадиционных вторичных и возобновляемых источников энергии при транспортировке теплоты и энергоносителей в энергетических системах и комплексах.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- Провести экспериментальные исследования функциональных характеристик элементов насоса теплового действия с целью повышения его производительности.

- Снизить время цикла и повысить производительность НТД за счет использования дополнительных элементов конструкции и оптимизации режимов его работы.

- Разработать физическую и математическую модели процессов тепломассопереноса в насосе теплового действия и провести численные исследования его характеристик.

- Определить условия работоспособности насоса теплового действия.

- Определить возможность применения насоса теплового действия для транспортировки теплоты и энергоносителей в различных энергетических системах и комплексах.

Научная новизна основных результатов диссертационной работы состоит в следующем:

1. Проведены систематические экспериментальные исследования процессов тепло- и массопереноса в элементах НТД, в результате которых установлен их физический механизм и обоснованы теоретические модели для их описания.

2. Впервые созданы физическая и математическая модели для определения условий работоспособности насоса теплового действия на основе решения сопряженной задачи тепло- и массопереноса при смешанных нелинейных граничных условиях в зонах испарения и конденсации.

3. Выполнен анализ функциональных характеристик конструктивных элементов и факторов, влияющих на эффективность работы насоса теплового действия.

4. Испытаны на практике и математически описаны функциональные элементы, повышающие производительность НТД за счет снижения времени цикла и увеличения расхода.

Практическая ценность.

1. Объект исследования - насос теплового действия может быть использован в различных энергетических системах и комплексахв целях энергоснабжения, . энергосбережения, повышения надежности и производительности систем, снижения вредного воздействия на окружающую среду.

2. Разработаны инженерные методы расчета функциональных характеристик элементов НТД для определения условий его работоспособности в энергетических системах и комплексах.

3.Предложены и математически описаны технические решения применения НТД для нетрадиционных вторичных и возобновляемых источников в энергетических системах и комплексах.

4. Отдельные теоретические и практические положения и выводы диссертационного исследования могут использоваться при обучении студентов.

Достоверность

Полученные результаты базируются на фундаментальных положениях теории тепломассообмена и термодинамики, корректном использовании методов получения и обработки опытных данных. Справедливость полученных данных подтверждается хорошим совпадением расчетных и экспериментальных результатов.

Апробация работы

Основные положения работы, результаты расчетно-экспериментальных и численных исследований докладывались и обсуждались на:

12 и 16, 17 международных конференциях по тепловым трубам, 2002 г.Москва, 2012 г., Лион (Франция), 2013 г., Канпур (Индия);

4 и 5 Российских национальных конференциях по теплообмену, 2006 г., 2010 г.;

VI международной Школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика», 2012 г.;

VII, XVI, XVII, XVIII, XIX международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов. Москва, 2001, 2010-2013 гг.;

ежегодных аспирантских семинарах кафедры ТМПУ, 2010-2013 гг.

Публикации

Основные 23 результаты диссертационной работы изложены в следующих опубликованных работах:

1. Буй Мань Ту, Сасин В.Я., Савченкова Н.М., Парёхина И.В. Экспериментальные и теоретические исследования тепло- и массопереноса

в испарителе двухфазного вытеснительного насоса теплового действия // «Вестник МЭИ». -М.: МЭИ- 2009.- №4 - С. 29 - 34

2. Гончаров К.А., Антонов В.А., Сасин В.Я., Савченкова Н.М. Перспективы применения двухфазных контуров для термостатирования космических АФАР // Сборник научных трудов «Актуальные вопросы проектирования космических систем и комплексов».- М.- 2013, № 14

3. Патент на полезную модель «Тепломассопередающее устройство» / Савченкова Н.М., Буй Мань Ту, Сасин В.Я., Парёхина И.В., Руденков А.С. № 94320 от 26.11.2009.- М.: Роспатент

4. Патент на полезную модель «Тепломассопередающее устройство» / Савченкова Н.М., Сасин В.Я., Парёхина И.В., Чернышов В.А. № 110175 от 24.05.2011.- М.: Роспатент

5. Патент на полезную модель «Парокомпрессионная холодильная установка с тепломассопередающим устройством» / Савченкова Н.М., Сасин В.Я., Парёхина И.В., Зобнин К.А., Куркин И.А. № 122471 от 10.07.2012.- М.: Роспатент

6. Сасин В.Я., Савченкова Н.М., Jle Суан Хоа Outlook of application of pulsing thermosiphons in systems with non-traditional sources of a heat energy // Труды 6-го Международного Симпозиума «Тепловые трубы и рефрижераторы».- Минск.- 1998.

7. Савченкова Н.М., Власов Б.А., Filippeschi S. Анализ процессов тепломассообмена в пульсационных термосифонах и возможности их применения // 7-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов.- М.: МЭИ.- 2001.- Т. 3. - с. 57 - 59.

8. Fantozzi F., Filippeschi S., Sasin V.J., Savchenkova N.M. Heat transport device based on pulsing thermosiphons with forced fluctuations of pressure // 12 International Heat Pipe Conf.- Moscow.- May 2002.

9. Sasin V.J., Le Xuan Hoa, Savchenkova N.M.,Filippeschi S., Fantozzi F. Outlook At Application Of Biphase Pulsing Contours For Heat Supply And Cooling Systems// 12 Int. Heat Pipe Conference.- Moscow.- May 2002.

10. Сасин В.Я., Савченкова Н.М., F. Fantozzi, S. Filippeschi, G. Salvadory. Двухфазные антигравитационные термосифоны с использованием солнечной энергии для систем теплоснабжения // 4 РНКТ.- М.:МЭИ.- 2006.

11. Сасин В.Я., Савченкова Н.М. Opportunities and limitations at use biphasé pulsation heat and mass transport systems // International Conférence SMES - 04.- Turkey.- 2004.

12. Сасин В.Я., Савченкова H.M., Буй Мань ТуЭкспериментальные и теоретические исследования тепло- и массопереноса двухфазного вытеснительного насоса теплового действия // 5 РНКТ.- М.- 2010.

13. Буй Мань Ту, Сасин В.Я., Савченкова Н.М., Парёхина И.В. Влияние температуры среды внешнего контура на рабочие характеристики насоса теплового действия // XVI международная конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. В 3-х т.- М.: МЭИ.- 2010.- Т. 2. - с. 416 - 417.

14. Сасин В.Я., Савченкова Н.М., Парёхина И.В., Муротьян Д.О. Возможность альтернативного применения насоса теплового действия в контуре геотермальной электростанции // Сборник материалов Всероссийской студенческой олимпиады, научно-практической конференции и выставки работ студентов, аспирантов и молодых ученых. - Екатеринбург.- 2010.- С. 376379.

15. Сасин В.Я., Савченкова Н.М., Парёхина И.В., Муротьян Д.О. Использование двухфазного пульсационного теплового действия в бинарном контуре ГеоТЭС // XVII международная конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».- М.: МЭИ.- 2011.- С.498-500.

16. Сасин В.Я., Савченкова Н.М., Парёхина И.В., Муротьян Д.О. Повышение производительности насоса теплового действия // Международная научная школа «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях».-М.:МЭИ.-2011.-С. 188-189

17. Сасин В.Я., Савченкова Н.М., Парёхина И.В., Муротьян Д.О. Способы повышения производительности насоса теплового действия //XVIII Международная конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».- М.: МЭИ.- 2012,- С.216.

18. Sasin V.Y., Savchenkova N.M., Parehina I.V., Murotyan D.O. Possibility of using biphasic pulsating pump of heat action in heating and cooling systems //16 International Heat Pipe Conference.- Lyon, France.- 2012.- C.461-464.

19. Зобнин K.A., Куркин И.А., Парёхина И.В., Савченкова Н.М., Сасин В.Я. Условия работоспособности испарителя насоса теплового действия после его осушения// Шестая международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика». -М.: МЭИ.- 2012. -309-311.

20. Смердов И.В., Савченкова Н.М., Сасин В.Я., Парёхина И.В. Определение погрешностей измерения двухфазного вытеснительного насоса теплового действия// Шестая международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика».- М.: МЭИ.- 2012.- С. 353-355

21. Савченкова Н.М., Сасин В.Я., Куркин И.А., Парёхина И.В. Применение насоса теплового действия в парокомпрессионных холодильных машинах // Девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».-М.: МЭИ.- 2013.- С.147.

22. Sasin V.Y., Savchenkova N.M., Parehina I.V., D.O. Murotyan Possibilitesd' emmploi de pompesthermiques pulses dans les systemes de chauffage et de refroidissement // Revue Generale du Froid et du conditionnementd' air.-France.- № 1131.- Mars, 2013.- P. 25-28.

23. Savchenkova N.M., Sasin V.Y. Conditions of working ability of pulsating pump of heat action //17 International Heat Pipe Conference.- Kanpur, India.- October, 2013.

Объём работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы из 95 наименований. Общий объем диссертации составляет 173 страницы машинописного текста, включая рисунки, таблицы, приложения.

Работа выполнена на кафедре «Тепломассообменных процессов и установок» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору, к.т.н. Владимиру Яковлевичу Сасину и всему коллективу кафедры ТМПУ ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» во главе с профессором, д.т.н. А.Б. Гаряевым за помощь и поддержку, оказанные при написании кандидатской диссертации.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ ПУЛЬСАЦИОННЫХ ТЕПЛОМАССОПЕРЕДАЮЩИХ

СИСТЕМ

1.1 Принципы функционирования двухфазного тепломассопередающего устройства

Описываемое в работе тепломассопередающее устройство, насос теплового действия, можно отнести к пульсационным термосифонам. Уже несколько десятилетий их разработка вызывает огромный интерес из-за способности переносить большие тепловые и массовые потоки при незначительных разностях температур [1—3].

Естественная циркуляция теплоносителя против действия сил тяжести всегда вызывала большой интерес исследователей в прошлом. В связи с этим, в литературе можно найти ряд статей, патентов, других документов, описывающих различные двухфазные устройства, имеющих целый ряд практических применений, использующих геотермальную и солнечную энергию, а также вторичные и другие источники.

Несмотря на ряд различий таких антигравитационных устройств, часть их технических характеристик и режимов работы базируются на одинаковых принципах. В литературе можно встретить несколько названий устройств такого рода: "down-pumping heat pipes","тепловые трубы, перекачивающие вниз" [4], "passive vapour transport systems","пассивная система, передающая тепло пара" [5], "spontaneous downward heat transport systems","самопроизвольная система транспорта тепла вниз " [6], «T-system» «Т-система» [7]. «pulsated two-phase thermosyphons», пульсационный двухфазный термосифон [8], антигравитационный термосифон [9-10] и т.д. ч Эти устройства могут работать с испарителем, расположенным как выше,

^ так и ниже конденсатора. Они являются, по сути, разновидностями

двухфазного термосифона и работают в периодическом режиме теплопередачи.

Принцип действия. Данные устройства состоят из испарителя, конденсатора и накопительного бака-аккумулятора (промежуточного сосуда). Эти элементы связаны между собой и образуют замкнутый или открытый контур. Теплоизолированные соединительные трубки являются линиями паровой фазы и жидкостной фазы, на которые устанавливаются обратные клапаны.

Рисунок 1.1.1. Обобщенная схема пульсационного двухфазного тепломассопередающего устройства.

1 - испаритель; 2 - конденсатор; 3 - аккумулятор

Весь цикл тепломассообмена в таких установках можно разделить на две основные части: период, когда жидкость передается от испарителя к аккумулятору через конденсатор, и период, когда жидкость, накопленная в аккумуляторе, возвращается в испаритель.

Как только объем жидкости переносится из испарителя, вся жидкость, собранная в аккумуляторе, должна вернуться в испаритель, и должны восстановиться начальные условия. В двухфазном термосифоне две операции происходят одновременно, и достигается стационарный режим, тогда как в двухфазном пульсационном термосифоне эти операции происходят в течение последовательных периодов времени, поэтому устанавливается периодический

режим, и возможна тепломассопередача против действия гравитации.

Для того чтобы восстановить начальные условия одного цикла теплопередачи либо давление в аккумуляторе должно расти, либо давление в испарителе должно уменьшаться.

В условиях гравитации существует дополнительная возможность: ввести соединительную линию между двумя зонами пара - в испарителе и аккумуляторе. Давление в обоих сосудах выравнивается и возврат жидкости происходит с помощью силы тяжести, если аккумулятор находится выше испарителя. Эта дополнительная линии, введенная в контур, называется линией выравнивания давления. 1.2 Классификация тепломассопередающих систем

В соответствии с различными способами возврата жидкости в испаритель, предлагается классификация устройств, работающих по принципу пульсационного двухфазного термосифона, где присутствуют колебания температуры и давления, описанных в литературе. Можно разделить эти устройства на три группы: группа, где давление в испарителе падает, группа, где давление в аккумуляторе поднимается и группа, где отсутствует разница давления и используется линия выравнивания давления.

Для обеспечения циркуляции теплоносителя в подобных системах к испарителю пульсационного контура необходимо подводить тепловой поток. В зависимости от конструкции тепломассопередающего устройства тепло может подводиться постоянно или периодически. Имеющиеся в настоящее время устройства можно подразделять на управляемые - с применением регулирования колебаний давления и температуры, и автоколебательные.

Рядом исследователей были предложены пассивные устройства для передачи жидкости против действия силы тяжести, которые были описаны в патентах, статьях, технических обзорах и т.п. Часть из них активно разрабатываются, часть осталась без дальнейшего развития. Впервые обзор "Passive Pressure-Pumped Thermosyphons" пассивных перекачивающих термосифонов было представлено Фельдманом (Feldman) [11] в 1987 году, где

он сосредоточил свое внимание исключительно на устройствах, использующих солнечную энергию. Другой частичный обзор подобных систем передачи тепла можно найти в работе Э.А. №ерег [12].

В работе Л.Л. Васильева [13] представлено несколько схем двухфазных пульсационных термосифонов, разработанных в СССР. Обзор охватывает ряд работ по тепловым трубам, разработанным в СССР в период между 1970 и 1987 годами, и состоит из двух частей. Первая часть связана с фундаментальными исследованиями энергии и теплоносителя в закрытых системах испаритель-конденсатор. Вторая содержит результаты интеграции тепловых труб, термосифонов и агрегатов на их основе в различные отрасли машиностроения, сельского хозяйства и строительства.

В 2006 году Филиппески (РШрреБсЫ) [14] представил обзор двухфазных пульсационных термосифонов, передающих тепло и массу против сил тяжести.

Однако следует заметить, что большинство работ в этой области ограничивались описанием проводимых экспериментов. Физическое и математическое описание явлений, которые происходят во время переноса тепла и массы, практически отсутствует. Соответственно, прогнозирование возможностей эффективного использования подобных установок для преобразования энергии нетрадиционных и вторичных источников в различных структурах энергетических систем и комплексов с целью энерго- и ресурсосбережения при транспортировке теплоты и энергоносителей, практически невозможно.

1.2.1. Устройства с понижением давления в испарителе

Движущей силой части описанных устройств является снижение давления в испарителе. В этом случае сконденсировавшаяся жидкость, собирающаяся в аккумуляторе, возвращается в испаритель из-за уменьшения давления внутри испарителя. Это можно достигнуть двумя различными способами: периодической подачей нагрузки на испаритель или

периодическим удалением жидкости из испарителя.

Первый способ характерен для солнечных установок, потому что поток солнечного тепла является непостоянным и периодическим.

Первое устройство такого типа - антигравитационная тепловая труба для освобождения дорог ото льда и снега - было запатентовано ЕПепеЛ и др. [4] в 1977. Это устройство действует как термосифон зимой и как антигравитационная тепловая труба летом. Схема этого устройства показана на рисунке 1.2.1.

Рисунок 1.2.1. Антигравитационная тепловая труба

Устройство состоит из двух сосудов, испарителя и конденсатора, с аммиаком в качестве рабочей жидкости. Когда поток солнечного тепла поступает на испаритель, аммиак испаряется и попадает в конденсатор. Давление внутри конденсатора увеличивается, поэтому, когда солнечный тепловой поток прекращается или уменьшается, жидкость, собирающаяся в конденсаторе, поднимается в испаритель. Пульсационные движения пара вниз или жидкости вверх происходит в соединительной трубе. Для увеличения давления в конденсаторе может быть использован инертный газ, например, аргон.

Система состоит из горизонтальной секции - трубы, погруженной в асфальтовую дорогу (а), которая действует как испаритель летом и конденсатор зимой, и вертикальной секции - трубы, погруженной в грунт на глубину около 20 м, которая состоит из двух секций, разделенных перегородкой, верхняя (Ь) работает как конденсатор летом и испаритель зимой, а в нижняя (с), как аккумулятор. Все три секции соединены трубкой с внутренним диаметром 25 мм. Внутри аккумулятора закачан инертный газ (аргон), смешанный с парами рабочей жидкости (аммиака). В летний период термосифон работает против действия^илы тяжести. Аммиак испаряется в испарителе из-за высокой температуры асфальта Тс, нагреваемого солнечным светом Qc. Давление пара в испарителе повышается, и пар доходит до конденсатора с температурой 7}. Большая часть паров конденсируется при соприкосновении с холодной жидкостью в конденсаторе и отдает ему тепло Q/, передаваемое в грунт. Несконденсировавшиеся пары смешиваются с аргоном, что приводит к росту давления в аккумуляторе (секция с). Если поток тепла к вертикальной части уменьшается, например, ночью, поток пара из испарителя прекращается, давление в нем падает, и рабочая жидкость возвращается в аккумулятор.

Другие подобные устройства с периодическим нагреванием испарителя для применения в солнечных установках, также запатентованы в 1980-е годы [15-17].

В 1982 г. Стэси (Stacy) [17] была запатентована самоперекачиваюшаяся система сбора солнечной энергии (Рисунок 1.2.2). Это изобретение относится к периодическим способам получения и передачи тепловой энергии от источника тепла при периодических теплопоступлениях в тепловой резервуар. Система реагирует на температуру резервуара и наличие источника тепла, не используя другие внешние источники энергии и контроля, такие, как клапаны, насосы, поплавки, датчики, или электронные схемы.

В период поступления тепла испаритель, содержащий низкокипящую жидкость, создает поток пара в удаленный теплообменник, где пар передает

теплоту испарения в тепловой резервуар, конденсируясь. Конденсат вытекает из теплообменника в изолированную емкость для поддержания давления.

В периоды отсутствия источников тепла, происходит потеря тепла из испарителя при конденсации паров в нем. Это уменьшает давление в испарителе и позволяет жидкости вернуться в испаритель через теплообменник. Это обратный период и завершение цикла. Замкнутая система с использованием одной трубы без использования движущихся частей применима к любому периодическому или прерывистому источнику тепла, такому, как солнечная инсоляция.

Рисунок 1.2.2. Самоперекачиваюшаяся система сбора солнечной энергии Второй способ реализации пульсационного термосифона с понижением давления в испарителе может быть осуществлен при непрерывном поступлении тепла в испаритель. Первое подобное устройство было запатентовано Тамбурини (ТашЬипш) 1977 году [18] (Рисунок 1.2.3). Он отметил, что снижение давления в испарителе происходит, когда вся жидкость из него испаряется. Давление падает, пока не достигнет давления насыщения при температуре холодного стока (конденсатора), которое ниже, чем давление в аккумуляторе. Но в устройствах такого рода существует проблема. Как только первые капли холодной сконденсировавшейся жидкости попадают в

пустой испаритель на перегретую поверхность, они моментально испаряются. Давление в испарителе резко возрастает, и жидкость, собирающаяся в аккумуляторе, не может вернуться в испаритель.

Рисунок 1.2.3. Тепломассопередающий аппарат

Одним из способов решения этой проблемы является установка промежуточных сосудов (накопительных емкостей) между аккумулятором и испарителем, соединенных с испарителем линией выравнивания давления, и гидросифон. Это решение позволяет задерживать возврат жидкости на перегретую поверхность, пока в аккумуляторе не будет достигнут объем жидкости, достаточный для быстрого охлаждения стенки испарителя до нужной температуры. Тамбурини предложил это устройство для охлаждения электронного оборудования, но экспериментального подтверждения сделано не было. Для обеспечения заполнения промежуточной емкости Тамбурини также предлагал следующие технические решения: соединение испарителя и промежуточного резервуара с сифоном, или трубкой Вентури.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Савченкова, Наталья Михайловна, 2013 год

Список использованных источников

1. Reay D. A., Kew P. A. Heat Pipes, Fifth Edition: Theory, Design And Applications.// Publisher: Butterworth-Heinemann, 2006. -377 c.

2. Faghri A. Heat Pipe Science and Technology. // Taylor and Francis. Washington, DC. 1995.

3. Васильев Jl.Jl., Гракович Л.П., Хрусталев Д.К. Тепловые трубы в системах с возобновляемыми источниками энергии. // Минск, Наука и техника. 1988. -159 с.

4. Bienert W.B., Pravda M.F. Down-pumping heat pipes, US Patent № 4050509. 1977.

5. Hedstrom J.C. Vapor phase heat transport systems. Passive and Hybrid Solar Energy Update Meeting. // Washington, DC. 1983.

6. De Beni G., Frieson R., Spontaneous downward heat transport comparison tests of an improved system. // Solar Energy, № 50. -1993. -C.27-34.

7. Tamburini P. T-System proposal of a new concept heat transport system. // Proc. 3rd IHPC. Palo Alto, Calif., USA. 1978.

8. Fantozzi F., Filippeschi S. Pulsated two-phase thermosyphons for electronic equipment thermal control. // ICES 2002. San Antonio, TX. 2002.

9. Sasin V.J., Borodkin A.A., Feodorov V.N., Bolotin E.M., Fantozzi F. The experimental research of an antigravity thermosyphons for a heating system. // Proc. LII Congress ATI. Cemobbio, Italy. 1997.

10.Gerasimov Y.F., Maidanik Y.F., Dolgirev Y.E., Kiseev V.M. Antigravitational heat pipes — development, experimental and analytical investigation. // Proc. 5th IHPC. Tsukuba, Japan. 1984.

11.Feldman K.T. Investigation of passive pressure-pumped thermosyphons. // Proc. 6th IHPC. Grenoble, France. 1987.

12.Neeper D.A. Analytic model of a passive vapor transport heating system. // Solar Energy №41. 1998. -P. 91-99.

13.Vasiliev L.L. Heat pipe research and development in the USSR. // Heat Recovery

System & CHP №9 (4). 1989. -P. 313-333. 14.Filippeschi S. On Periodic Two-Phase Thermosyphons Operating Against

Gravity. // International Journal of Thermal Sciences № 45.. 2006. -P.124-137 15.0'Hanlon E.J. Means and methods for sending heat downwardly. US Patent № 4089366. 1978.

16.De Beni G. Device for passive downwards heat transport and integrated solar

collector incorporating same. UK Patent № 8872. 1980. 17.Stacy W.D. A passive solar system for downward heat transport. US Patent № 4357932. 1982.

18.Tamburini P. T-System proposal of a new concept heat transport system. // Proc. 3rd IHPC. Palo Alto, Calif. Technical Papers. (A78-35576 14-34). New York. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. 1978. -P. 346-353.

19.Takamura Y., Yamamoto Т., Katsuta M. Study on a Heat Driven Pump. // Journal of the Fuel Society of Japan. Vol. 59. № 644. 1980.

20.Каем Ю.З., Насонов E.A., Рашидов Ю.К. Система гелиотеплоснабжения. Авт. свид. № 00635371. 1978 г.

21.Насонов Е.А., Ильин В.П. Тепловая труба. Авт. свид. № 0064993728.

1979 г.

22.Насонов Е.А., Бондаренко Ю.И. Тепловая труба. Авт. свид. № 00726409.

1980 г.

23.Насонов Е.А., Рашидов Ю.К. Гелиосистема горячего водоснабжения. Авт. свид. № 00830084. 1981 г.

24.Buz V., Afanasyev В. Antigravitational heat transmitting loop with pulsation of working fluid. // Proc. 5th Sem. on Heat Pipes, Heat Pumps, Refrigerators. Minsk, Belarus. 2003.

25.Fantozzi F., Filippeschi S., Sasin V.J., Savchenkova N.M. Heat transport device based on pulsing thermosyphons with forced fluctuations of pressure. // Proc. 12 IHPC. Moscow, Russia. 2002.

26.Fantozzi F., Filippeschi S., Latrofa E. Miniature Pulsated loop therrmosyphon for desktop computer cooling: Feasibility study and first experimental tests. // Proc. 5th Minsk Seminar on Heat Pipes, Heat Pumps, Refrigerators. Minsk, Belarus. 2003.

27.Filippeschi S., Latrofa E., Salvadori G. On the possibility of evaporator drastic scale reduction in a periodically operating two-phase thermosyphon. // Proc. 3rd Int. Symp. on Two-Phase flow modeling and experimentation. Pisa, Italy. 2004. -P. 22-25.

28.0gushi T., Murakami M., Sakurai Y., Matsuda H. A thermally-pumped heat transport system. // Proc. 15th Int. Symp. Space Tech. and Sci. 1986.

29,Ogushi T., Murakami M. Heat transmission device. US Patent № 4576009. 1986.

30.0gushi T., Murakami M., Yao A. Heat transport system. US Patent №5259447. 1993.

31.Andersson S.W.E. Refrigeration. US Patent №235757J9. 1938.

32.Chisholm D. The anti-gravity thermosyphon. // Symp. on Multiphase Flow Systems. I—Mech. E./I. Chem. E., Symphosium. Series № 38. 1974.

33.Chisholm D. Control of two-phase thermosyphons. US Patent № 3965970. 1976.

34.Chisholm D. Two-phase thermosyphons. GB Patent № 1488661. 1977.

35.Chisholm D. Two-phase thermosyphons. GB Patent № 1532627. 1978.

36.Basilius A. Heat pipe capable of operating against gravity and structures utilizing same. US Patent №4057963. 1977.

37.Feldman K.T.Jr. Down pumping heat pipe. Invention disclosure. // University of New Mexico. Albuquerque, New Mexico. 1977.

38.Bohanon R. Heat transfer system particularly applicable to solar heating installations. US Patent № 4061131. 1975.

39.De Beni G., Friesen R., Thoma H., Vencroni R. Device for passive downward heat transport: design criteria and operational results. // Proc. 4th IHPC. London, UK. 1981.

40.De Beni G., Thoma H., Veneroni R., Friesen R. Device for passive heat transport. UK Patent № 8124363. 1983.

41.De Beni G., Friesen R. Passive downward heat transport experimental results of a technical unit. // Solar Energy. № 34. 1985. -P. 127-134.

42.De Beni G., Friesen R., Olmo M. Utilization of solar thermal energy in mountain refuges through an innovative system. // Solar Energy. № 52. 1994. -P.221-224.

43.Hedstrom J.C., Neeper D.A. Passive space heating with self-pumping vapor system. // Proc. 11th National Passive Solar Conference, Boulder, USA. 1986.

44.0keyasu K. Heat transport apparatus. US Patent № 4625790. 1986.

45. Kawabata K.. Hashimoto N., Kamiya Y. Anti-gravity heat pipe. // Proc. 10th IHPC. Stuttgart, Germany. 1997.

46.Kadoguchi K., Yamazaki M. Intermittent heat transportation by discharge of accumulated vapor. // Appl. Therm. Engrg. № 24 (17-18). 2004. -P. 2761-2775.

47.Sasin V.J., Borodkin A.A., Feodorov V.N. Experimental investigation and analytical modelling of autoscillation two-phase loop. // Proc. 9th IHPC. Los Alamos, New Mexico, USA. 1995.

48.Sasin V.J., Borodkin A.A., Feodorov V.N., Bolotin E.M., Fantozzi F. The experimental research of an antigravity thermosyphons for a heating system. // Proc. LII Congress ATI. Cemobbio, Italy. 1997.

49.Sasin V.J., Borodkin A.A., Bolotin E.M., Le Xuang H., Fantozzi F. Development and research of a two-phase pumpless heat transport system. // Proc. 2nd Russian National Heat and Mass Conf. Moscow, Russia. 1998.

50.Sasin V.J., Savchenkova N.M., Le Xuang H. Outlook of application of pulsing thermosiphons in systems with non-traditional sources of a heat energy // Труды 6-го Международного Симпозиума «Тепловые трубы и рефрижераторы».-Минск,- 1998.

51.Савченкова Н.М., Власов Б.А., Filippeschi S. Анализ процессов тепломассообмена в пульсационных термосифонах и возможности их

применения // 7-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов,- М.: МЭИ,- 2001.- Т. 3. - С. 57 - 59.

52.Sasin V.J., Savchenkova N.M., F. Fantozzi, S. Filippeschi, G. Salvadory. Двухфазные антигравитационные термосифоны с использованием солнечной энергии для систем теплоснабжения // 4 РНКТ.- М.:МЭИ.- 2006.

53.Sasin V.J., Le Xuang Н. Outlook of application pulsing thermosyphons in vapor ejecting refrigerators. // Proc. Int. Workshop Non Compression Refrigeration and Cooling. Oder, Ukraine. 1999.

54.JIe Суан Xoa. Разработка и исследования двухфазного пульсационного теплопередающего контура для безнасосных пульсационых пароэжекторных холодильных машин. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. //М. 1999.

55.Sasin V.J., Le Xuang Н., Savchenkova N.M. Outlook at application of pulsing thermosyphons in systems with non-traditional sources of a heat energy. // Proc. International Heat and Mass Conference. Minsk, Belarus. 2000.

56.Sasin V.J., Le Xuang H., Savchenkova N.M., Filippeschi S., Fantozzi F. Outlook at application of biphase pulsing contours for heat supply and cooling systems. //Proc. 12 IHPC. 2002.

57.Borodkin A.A., Kotlyrov E.Yu., Serov G.P. Evaporating condensing pump for providing of working fluid circulation in two-phase heat transferring system. // Proc. International Conference on Environmental Systems (ICES), Rome, Italy. 2005.

58.Sasin V.J., Savchenkova N.M. Opportunities and limitations at use biphase pulsation heat and mass transport systems // International Conference SMES -04. Turkey. 2004.

59.Буй Мань Ту, Парёхина И.В., Сасин В.Я. Математическое моделирование процессов тепло и массопереноса системы насоса теплового действия (НТД) // Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика. 14 Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. - М.: МЭИ, 2008. Т. 2.-С. 351 -352.

60.Буй Мань Ту, Сасин В.Я. Экспериментальные исследования элементов насоса теплового действия (НТД) и анализ результатов расчетов по математической модели // Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика. Пятнадцатая Между нар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. - М.: МЭИ, 2009. Т. 2. - С. 386 - 387

61.Буй Мань Ту, Сасин В.Я., Савченкова Н.М., Парёхина И.В. Экспериментальные и теоретические исследования тепло- и массопереноса в испарителе двухфазного вытеснительного насоса теплового действия // «Вестник МЭИ». -М.: МЭИ- 2009.- №4 - С. 29 - 34

62.Патент на полезную модель «Тепломассопередающее устройство» / Савченкова Н.М., Буй Мань Ту, Сасин В .Я., Парёхина И.В., Руденков A.C. № 94320 от 26.11.2009.- М.: Роспатент

63.Буй Мань Ту, Сасин В.Я., Савченкова Н.М. Парёхина И.В. Влияние температуры среды внешнего контура на рабочие характеристики насоса теплового действия // Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика. Шестнадцатая Между нар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. - М.: МЭИ, 2010. Т. 2. - С. 416 - 417.

64.Буй Мань Ту. Исследование теплогидравлических процессов в автоколебательных насосах теплового действия применительно к системам тепло- и хладоснабжения. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. // М. 2010.

65.Илларионов А.Г., Сасин В.Я., Федоров В.Н., Шитов Н.Ф. Применение теории вероятностей и математической статистики или планировании и анализе результатов эксперимента. Учебное пособие по курсу теория и методы теплофизического эксперимента. // М.: Издательство МЭИ. 1993. -81 с.

66.Новицкий П.Н., Зограф И.А. Оценка погрешности результатов измерений.//М.: Энергоатомиздат. 1991. -304 с.

67.Александров А., Григорьев Б. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара М.: Издательство МЭИ. 1999. - 168 с.

68.Безродный М.К., Пиоро И.Л., Костюк Т.О. Процессы переноса в двухфазных термосифонных системах. // Киев. 2005. -702 с.

69.Головин B.C., Кольчугин Б.А., Лабунцов Д.А. Экспериментальное исследование теплообмена и критических тепловых нагрузок при кипении воды в условиях свободного движения. // ИФЖ. Т.6. №2. 1963. -С. 3-12.

70.Григорьев В.А., Зорин В.М. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника// Справочник, Т.4. М.: Энергоатомиздат. 1991.-589 с.

71.Исаченко В.П., Сукомел А.С., Осипова В.А. Теплопередача. // М.: издательство «Энергия». 1975. -485 с.

72.Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. // М.: Энергия. 1989. 239 с.

73.Кутепов A.M., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. // М.: издательство Высшая Школа. 1983. -447 с.

74.Лабунцов Д.А., Ягов В.В. Механика двухфазных систем. // М.: Издательство МЭИ. 2000. -373 с.

75.Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. // М.: Энергия. 1977. -344 с.

76.Смирнов Г.Ф., Цой А.Д. Теплообмен при парообразовании в капиллярах и капиллярно-перистых структурах. // М.: Издательство МЭИ. 1999. -440 с.

77.Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения Учебное пособие для вузов. — 2-е изд., перераб. - М.: Энергоиздат. 1981. -320 с.

78.Соколов Е.Я. Зингер Н.М. Струйные аппараты. // М.: Энергоатомиздат. 1989. -352 с.

79.Фисенко В.В. Критические двухфазные потоки. // М.: Атомиздат. 1978. -159 с.

80.Федоров В.А. Мильман О.О. Тепло- гидравлические автоколебания и неустойчивность в теплообменных системах в двухфазным потоком. // М.: Издательство МЭИ. 1998. -235 с.

81.Шелгинский А.Я. Тепловые трубы в системах теплоснабжения и утилизации ВЭР. Учебное пособие. // М.: Издательство МЭИ. 2005. -52 с.

82.Гончаров К.А., Антонов В.А., Сасин В.Я., Савченкова Н.М. Перспективы применения двухфазных контуров для термостатирования космических АФАР // Сборник научных трудов «Актуальные вопросы проектирования космических систем и комплексов». № 14.- М.- 2013.

83.Патент на полезную модель «Тепломассопередающее устройство» / Савченкова Н.М., Сасин В.Я., Парёхина И.В., Чернышов В.А. № 110175 от 24.05.2011.- М.: Роспатент

84.Патент на полезную модель «Парокомпрессионная холодильная установка с тепломассопередающим устройством» / Савченкова Н.М., Сасин В.Я., Парёхина И.В., Зобнин К.А., Куркин И.А. № 122471 от 10.07.2012.- М.: Роспатент

85.Сасин В.Я., Савченкова Н.М., Буй Мань Ту Экспериментальные и теоретические исследования тепло- и массопереноса двухфазного вытеснительного насоса теплового действия // 5 РНКТ.- М.- 2010.

86.Сасин В.Я., Савченкова Н.М., Парёхина И.В., Муротьян Д.О. Возможность альтернативного применения насоса теплового действия в контуре геотермальной электростанции // Сборник материалов Всероссийской студенческой олимпиады, научно-практической конференции и выставки работ студентов, аспирантов и молодых ученых. - Екатеринбург.- 2010. -С.376-379.

87.Сасин В.Я., Савченкова Н.М., Парёхина И.В., Муротьян Д.О. Использование двухфазного пульсационного теплового действия в бинарном контуре ГеоТЭС // XVII международная конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».- М.: МЭИ,- 2011.- С.498-500.

88.Сасин В.Я., Савченкова Н.М., Парёхина И.В., Муротьян Д.О. Повышение производительности насоса теплового действия // Международная научная школа «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях».-М. :МЭИ.-2011 .-С. 188-189

89.Сасин В.Я., Савченкова Н.М., Парёхина И.В., Муротьян Д.О. Способы повышения производительности насоса теплового действия //XVIII Международная конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».- М.: МЭИ.- 2012.- С.216.

90.Sasin V.Y., Savchenkova N.M., Parehina I.V., Murotyan D.O. Possibility of using biphasic pulsating pump of heat action in heating and cooling systems //16 International Heat Pipe Conference.- Lyon, France.- 2012.- C.461-464.

91.3обнин К.А., Куркин И.А., Парёхина И.В., Савченкова Н.М., Сасин В.Я. Условия работоспособности испарителя насоса теплового действия после его осушения// 6 международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика». -М.: МЭИ.- 2012. -309-311.

92.Смердов И.В., Савченкова Н.М., Сасин В.Я., Парёхина И.В. Определение погрешностей измерения двухфазного вытеснительного насоса теплового действия. // 6 международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика».- М.: МЭИ.- 2012.-С. 353-355

93.Савченкова Н.М., Сасин В.Я., Куркин И.А., Парёхина И.В. Применение насоса теплового действия в парокомпрессионных холодильных машинах // 19 международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».- М.: МЭИ.-2013.-С.147.

94.Sasin V.Y., Savchenkova N.M., Parehina I.V., D.O. Murotyan Possibilitesd' emmploi de pompesthermiques pulses dans les systemes de chauffage et de refroidissement // Revue Generale du Froid et du conditionnementd' air.-France.- № 1131.- Mars, 2013.- P. 25-28.

95.Savchenkova N.M., Sasin V.Y. Conditions of working ability of pulsating pump

th

of heat action // Proc. 17 International Heat Pipe Conference.- Kanpur, India.-October, 2013.