Статья поступила в редакцию 16.01.2012. Ред. рег. № 1183 The article has entered in publishing office 16.01.12. Ed. reg. No. 1183
УДК 621.1
ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ С ИЗМЕНЯЕМОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА
С.В. Коровкин
Московская обл., г. Долгопрудный, Московское шоссе, д. 27, кв. 49 Тел.: 89169735411, e-mail: svkorovkin@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 20.01.12 Заключение совета экспертов: 25.01.12 Принято к публикации: 31.01.12
Разработан и апробирован новый тип теплообменника, обладающий способностью к самоочистке от отложений в процессе работы.
Разработана и апробирована новая технология генерации жидкого льда.
Созданы технические предпосылки для использования энергии межфазного перехода «вода-лед» для отопления зданий.
Ключевые слова: теплообменные аппараты с изменяемой геометрией поверхности теплообмена, эластичный элемент, жидкий лед, тепловой насос.
HEAT EXCHANGERS WITH VARIABLE GEOMETRY OF THE SURFACE
S.V. Korovkin
27-49 Moscow road, Dolgoprudnyy, Moscow region, Russia Tel.: 89169735411, e-mail: svkorovkin@mail.ru
Referred: 20.01.12 Expertise: 25.01.12 Accepted: 31.01.12
Developed and tested a new type of heat exchanger which has the ability to self-cleaning of the sediment in the process. Developed and tested a new technology generation of liquid ice. Created the technical prerequisites for the transition energy of the interphase "water-ice" for heating of the buildings.
Keywords: heat exchangers with variable geometry, heat transfer surface, elastic element, liquid ice, heat pump.
В 2011 г. был запатентован новый тип теплооб-менных аппаратов - теплообменные аппараты с изменяемой геометрией поверхности теплообмена.
Аппараты такого типа могут применяться в технологических процессах, в которых на поверхности теплообмена образуется твердая фаза вещества. Речь, в первую очередь, идет о технологических процессах, связанных с образованием льда.
До сих пор для генерации льда применяли либо аппараты периодического действия «заморозка-оттаивание», либо аппараты с удалением льда с поверхности теплообмена различными видами скребков.
Первый тип аппаратов отличается низкой производительностью, второй - сложностью конструкции. Оба типа аппаратов также отличаются низкой энергоэффективностью .
Теплообменные аппараты с изменяемой геометрией поверхности теплообмена лишены этих недостатков.
Теплообменный аппарат с изменяемой геометрией поверхности теплообмена позволяет генерировать лед, сохраняя при этом поверхность теплообмена свободной ото льда.
Рассмотрим принцип действия аппарата, изображенного на рис. 1.
Основным элементом аппарата является эластичный элемент, в данном случае представляющий собой тонкостенную эластичную трубу. В первой модификации аппарата в качестве эластичного элемента был использован пожарный шланг, внутренняя поверхность которого покрыта латексной резиной.
Через эластичный элемент насосом прокачивается вода. Наружная поверхность эластичного элемента омывается хладагентом (низкотемпературным теплоносителем), имеющим отрицательную температуру. Отрицательная температура хладагента поддерживается работой холодильника, через который прокачивается хладагент. Из-за теплообмена через
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01 (105) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
оболочку эластичного элемента вода охлаждается и на внутренней поверхности эластичного элемента образуется слой льда. На выходе из эластичного элемента установлен клапан, в данном случае электромагнитный, периодически открывающий и закрывающий проток воды.
В положении «I» при закрытом клапане за счет работы насоса давление воды в эластичном элементе повышается выше внешнего давления, и эластичный элемент раздувается.
В положении «II» клапан открыт, давление воды падает ниже давления хладагента, и эластичный элемент сжимается.
Рис. 1. Теплообменный аппарат с трубчатым эластичным элементом: 1 - эластичный элемент; 2 - холодильный агрегат; 3 - водяной насос; 4 - электромагнитный клапан; 5 - корпус теплообменника; 6 - хладагент; 7 - вода; 8 - лед; 9 - резервуар Fig. 1. Heat exchanger with an elastic element from a tube: 1 - elastic element; 2 - cooling unit; 3 - water pump; 4 - solenoid valve;
5 - shell heat exchanger; 6 - coolant; 7 - water; 8 - ice; 9 - tank
При изменении геометрии оболочки эластичного элемента слой льда, намерзающий на внутренней поверхности элемента, разрушается, частицы льда отваливаются и уносятся потоком воды в резервуар.
Так как плотность льда меньше плотности воды, то лед поднимается в верхнюю часть резервуара.
Если лед предполагается использовать для пищевых или технологических целей, то его можно забирать из верхней части резервуара любым способом.
Образующийся продукт представляет собой так называемый «мягкий лед» - пластичную массу, легко перекачиваемую насосом (рис. 2).
Возможны различные варианты теплообменных аппаратов с изменяемой геометрией поверхности теплообмена.
Рис. 2. Жидкий лед Fig. 2. Liquid ice
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01 (105) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012 lf*J
Инновационные решения
На рис. 3 показан демонстрационный аппарат, где в качестве эластичного элемента используется мембрана.
Процесс генерации льда в аппарате показан на рис. 4.
Рис. 3. Теплообменный аппарат с мембранным эластичным элементом
Fig. 3. Heat exchanger with an elastic element from a membrane
го элемента в 10 лет, учитывая, что перепад давления в аппарате не превышает 0,2 атмосферы, а температурный режим колеблется около 0 °С.
Чрезвычайно перспективным представляется использование данной технологии для создания отопительной системы с тепловым насосом.
Для средней полосы России при применении современных утеплителей и стеклопакетов годовой расход тепла на отопление составляет около 60 кВтчас/м2.
Для дома площадью 100 м2 на отопление необходимо 6000 кВтчас тепловой энергии в год. Если использовать в качестве источника тепла фазовый переход вода-лед, то необходимо 65 000 кг, или 65 м3 воды. Варианты размещения резервуара для воды приведены на рис. 5, 6, 7.
Рис. 4. Процесс генерации льда Fig. 4. The process of ice generating
На фотографии видно, что поверхность теплообмена при генерации льда остается чистой.
Работу аппарата можно наблюдать на видеороликах:
1. Начало генерации: http://www.youtube.com/watch?v=almTe54L_H0&featu re=g-upl&context=G2f02ea2AUAAAAAAAAAA
2. Конец генерации: http://www.youtube.com/watch?v=vqsPL8G1CxY&feat ure=g-upl&context=G2027a88AUAAAAAAABAA
Очень важным является вопрос выбора материалов для эластичного элемента. На сегодняшний день наиболее подходящим вариантом представляется теплопроводящая резина с коэффициентом теплопроводности 1 Вт/мград и толщиной порядка 0,5-1 мм. Тепловой поток через оболочку эластичного элемента в этом случае составляет 5-10 кВт/м2.
Опыт использования резинотехнических изделий позволяет оценить долговечность работы эластично-
Рис. 5. Резервуар под зданием Fig. 5. Tank under the building
Рис. 6. Подземный резервуар около здания Fig. 6. Underground tank near the building
Рис. 7. Наземный резервуар около здания Fig. 7. Tank near the building
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01 (105) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Наиболее предпочтительными являются варианты рис. 5 и рис. 6, так как в этом случае используется также тепло, накопленное грунтом. В средней полосе России в течение всего зимнего периода на глубине 1-2 м температура всегда выше нуля, поэтому часть льда в резервуаре будет таять за счет притока тепла от грунта.
Лед, образовавшийся в холодный период года, за теплый период года опять превратится в воду.
Как уже отмечалось, мягкий лед, получающийся в аппарате, представляет собой текучую пластичную массу и может перекачиваться насосом. Накопленный за зиму жидкий лед можно использовать в качестве источника холода в летний период для охлаждения воздуха в помещениях. Например, в США затраты электроэнергии на кондиционирование воздуха в жаркий период примерно равны затратам электроэнергии на отопление в холодный период года. Появляется возможность значительно сократить затраты электроэнергии на охлаждение воздуха.
Также возможно использовать жидкий лед в качестве хладагента в холодильниках для хранения продуктов, что позволяет экономить дополнительно около 10% электроэнергии, потребляемой в быту.
Выводы
1. Применение теплообменных аппаратов с изменяемой геометрией поверхности теплообмена для генерации льда позволяет значительно упростить и удешевить получение «жидкого» льда для технологических процессов
2. Применение теплообменных аппаратов с изменяемой геометрией поверхности теплообмена в системах с тепловыми насосами позволяет создать системы отопления, использующие энергию фазового перехода «вода-лед», что значительно расширяет область применения тепловых насосов
Список литературы
1. Коровкин С.В. «Ледяное» отопление - новая энергетическая технология // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2009. № 9 (77). С. 128-130. http://144.206.159.178/й/8395/647868/12994515.р^.
2. Патент на изобретение №2412401 от 27.08.2009. МПК Р24Б 15/04. Система отопления жилого дома / Коровкин С.В. // Бюлл. № 5 ФИПС от 20.02.2011.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01 (105) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.