термический насос и способ работы термического насоса

Формула изобретения

1. Термический насос, содержащий тепловую трубу, заполненную жидкостью, размещенный в верхней части трубы испаряемый объем, источник тепла, холодильник, всасывающую и нагнетательную магистрали с обратными клапанами и кольцевую полость, сообщенную с внутренней полостью трубы, отличающийся тем, что насос снабжен устройством принудительной подачи откачиваемой жидкости в испаряемый объем и кольцевую полость для охлаждения внутренней поверхности трубы ниже зоны испарения, при этом устройство подключено соответственно к нижней части замкнутого объема тепловой трубы и к магистралям всасывания и нагнетания.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что устройство принудительной подачи откачиваемой жидкости выполнено в виде полого герметичного корпуса, внутренняя полость которого сообщена с нижней точкой замкнутого объема тепловой трубы трубопроводом или трубопроводом с клапаном впуска, а трубопроводом с обратным клапаном - с магистралью нагнетания, в корпусе размещен наружный сильфон, герметично соединенный с корпусом и стаканом, расположенным внутри сильфона, внутренняя полость которого посредством запорной арматуры сообщена с источником газа или атмосферой, в полости наружного сильфона размещен внутренний сильфон, герметично соединенный с крышкой корпуса и стаканом и заполненный жидкостью, внутренняя полость сильфона соединена трубопроводом с запорным клапаном с испаряемой частью жидкости замкнутого объема, а трубопроводом с клапаном впуска - с откачиваемой жидкостью, внутри стакана размещен промежуточный сильфон, герметично соединенный с днищем корпуса и стаканом, заполненный жидкостью , при этом внутренняя полость сильфона посредством трубопровода с запорным клапаном соединена с замкнутым объемом трубы ниже зоны испарения, а трубопроводом с клапаном впуска - с откачиваемой жидкостью.

3. Способ работы термического насоса, включающий подвод тепла и перекачиваемой жидкости в замкнутом объеме, частичное ее испарение, нагнетание жидкости образовавшимся паром с последующей регенерацией тепла холодильником и охлаждением внутренней поверхности замкнутого объема ниже зоны испарения откачиваемой жидкостью, отличающийся тем, что к резервуару с откачиваемой жидкостью к нижней части замкнутого объема или к магистрали нагнетания подсоединяют устройство принудительной подачи откачиваемой жидкости, которое затем последовательно подсоединяют к испаряемой части замкнутого объема при нагнетании и затем к замкнутому объему ниже зоны испарения при регенерации и производят подачу жидкости в испаряемую часть замкнутого объема и на охлаждение внутренней поверхности пропорционально давлению нагнетания, используя энергию нагнетания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано для перекачивания жидкости или привода во вращение гидромоторов.

Известны автопульсирующие насосы для перекачивания жидкостей, в которых повышение давления осуществляется путем подвода тепла к жидкости в замкнутом объеме и частичного ее испарения [1].

Основным недостатком известного насоса является относительно низкая эффективность из-за слабой регенерации тепла, зависящей как от мощности холодильника, так и от давления нагнетания.

Известен термический насос, содержащий тепловую трубу, заполненную жидкостью, размещенный в верхней части трубы испаряемый объем, источник тепла, холодильник, всасывающую и нагнетательную магистрали с обратными клапанами и кольцевую полость, сообщенную с внутренней полостью трубы [2].

Известен способ работы термического насоса, включающий подвод тепла к перекачиваемой жидкости в замкнутом объеме, частичное ее испарение, нагнетание жидкости образовавшимся паром с последующей регенерацией тепла холодильником и интенсификацией регенерации тепла охлаждением внутренней поверхности замкнутого объема ниже зоны испарения откачиваемой жидкостью [2].

Недостаток известного устройства и способа заключается в том, что интенсификация регенерации тепла происходит при давлении пара, несколько меньшем давления откачиваемой жидкости, узкий диапазон рабочих нагрузок, так как с увеличением давления нагнетания плотность пара увеличивается (объем уменьшается) и при некотором давлении нагнетания регенерация тепла может замедлиться настолько, что процесс нагнетания прекратится.

Цель изобретения - повышение интенсификации регенерации тепла, расширение диапазона рабочих нагрузок.

Поставленная цель достигается тем, что термический насос, содержащий тепловую трубу, заполненную жидкостью, размещенный в верхней части трубы испаряемый объем, источник тепла, холодильник, всасывающую и нагнетательную магистрали с обратными клапанами и кольцевую полость, сообщенную с внутренней полостью трубы, снабжен устройством принудительной подачи откачиваемой жидкости в испаряемый объем и кольцевую полость для охлаждения внутренней поверхности трубы ниже зоны испарения, при этом устройство подключено соответственно к нижней части объема тепловой трубы и к магистралям всасывания и нагнетания.

Устройство принудительной подачи откачиваемой жидкости выполнено в виде полого герметичного корпуса, внутренняя полость которого сообщена с нижней точкой замкнутого объема трубопроводом или трубопроводом с клапаном впуска, а трубопроводом с обратным клапаном с магистралью нагнетания, в корпусе размещен наружный сильфон, герметично соединенный с корпусом и стаканом, расположенным внутри сильфона, внутренняя полость которого посредством запорной арматуры сообщена с источником газа или атмосферой, в полости наружного сильфона размещен внутренний сильфон, герметично соединенный с крышкой корпуса и стаканом, и заполненный жидкостью, внутренняя полость сильфона соединена трубопроводом с запорным клапаном с испаряемой частью жидкости замкнутого объема, а трубопроводом с клапаном впуска - с откачиваемой жидкостью, а внутри стакана размещен промежуточный сильфон, герметично соединенный с днищем корпуса и стаканом, заполненный жидкостью, при этом внутренняя полость сильфона посредством трубопровода с запорным клапаном, соединена с замкнутым объемом ниже зоны испарения, а трубопроводом с клапаном впуска - с откачиваемой жидкостью.

Предложен также способ, включающий подвод тепла к перекачиваемой жидкости в замкнутом объеме, частичное ее испарение, нагнетание жидкости образовавшимся паром с последующей регенерацией тепла холодильником и охлаждением внутренней поверхности замкнутого объема ниже зоны испарения откачиваемой жидкостью, в котором согласно изобретению к резервуару с откачиваемой жидкостью в нижней части замкнутого объема или к магистрали нагнетания подсоединяют устройство принудительной подачи откачиваемой жидкости, которое затем последовательно подсоединяют к испаряемой части замкнутого объема при нагнетании и затем к замкнутому объему ниже зоны испарения при регенерации и производят подачу жидкости в испаряемую часть замкнутого объема и на охлаждение внутренней поверхности пропорционально давлению нагнетания, используя энергию нагнетания.

На чертеже схематично изображен термический насос. Термический насос содержит тепловую трубу 1 с испарителем 2, транспортной зоной 3, зоной конденсации 4 и источником теплового воздействия 5, заполненную перекачиваемой жидкостью из магистрали всасывания 6, связанную через клапан подпора 7 с выходной магистралью 8 высокого давления перекачиваемой жидкости и через обратный клапан 9 с резервуаром-гидроаккумулятором (условно не показан) откачиваемой жидкости, холодильник 10, обратный клапан 11, размещенный в канале 12, проходящем через холодильник 10 (мимо труб охлаждения) и связывающим кольцевую полость 13 с отверстиями 14, выходящими на внутреннюю поверхность 15 верхней части транспортной зоны 3 тепловой трубы 1 с резервуаром-гидроаккумулятором; канал 16, соединенный с внутренней полостью тепловой трубы 1 ниже зоны конденсации 4 и связанный со входом 17 в устройство 18 принудительной подачи жидкости в испаритель 2 и кольцевую полость 13 трубопроводом 19 (показан штриховой линией) или трубопроводом 20, содержащим клапан впуска 21,при этом трубопровод 22 с обратным клапаном 23, связывает выходную магистраль 8 со входом 17 устройства 18; канал 24, соединенный с кольцевой полостью 13 и связанный трубопроводом 25 с запорным клапаном 26, с выходом 27 устройства 18; трубопровод 28 с каналом впуска 29, связывающий резервуар-гидроаккумулятор с выходом 27 устройства 18, трубопровод 30 с запорным клапаном 31, связывающий выход 32 устройства 18 с испарителем 2; трубопровод 33 с клапаном впуска 34, связывающий резервуар-гидроаккумулятор с выходом 32 устройства 18.

Устройство 18 принудительной подачи жидкости в испаритель 2 и кольцевую полость 13 содержит герметичный корпус 35 с каналом 17 входа и каналами 27 и 32 выхода, во внутренней полости которого размещен сильфон 36, герметично соединенный с корпусом 35, стаканом 37, расположенным внутри сильфона 36, внутренняя полость которого заполнена газом под некоторым избыточным давлением или соединена с атмосферой; сильфон 38, расположенный внутри сильфона 36, герметично соединенный со стаканом 37 и корпусом 35, внутренняя полость которого соединена с выходом 32 и заполнена жидкостью; сильфон 39, герметично соединенный со стаканом 37 и корпусом 35, внутренняя полость которого соединена с выходом 27 и заполнена жидкостью; вентиль 40, соединяющий внутреннюю полость сильфона 36 с источником давления газа или с атмосферой. С целью изменения аккумулирующих свойств сильфона 36 часть его объема может быть заполнена жидкостью.

Работа термического насоса осуществляется следующим образом.

При подводе тепла к испарителю 2 от источника теплового воздействия 5 жидкость, находящаяся в испарителе 2, испаряется и давление на зеркале жидкости растет. При достижении давлением величины, необходимой для открытия клапана 7 подпора, он открывается и жидкость по транспортной зоне 3 тепловой трубы 1 вытесняется через клапан 7 в магистраль нагнетания 8. Клапаны 9 и 11 при этом закрыты.

Вытеснение жидкости будет продолжаться до тех пор, пока вся жидкость, находящаяся в испарителе 2, не обратится в пар. После того, как зеркало жидкости выдавливается в зону конденсации 4 холодильника 10, начинается интенсивная конденсация паров жидкости.

Давление жидкости в магистрали 8 нагнетания зависит от величины гидравлического сопротивления, подключенного к магистрали 8. Таким сопротивлением могут быть дроссели, гидромоторы и т.д.

В зависимости от гидравлического сопротивления (давления) в магистрали 8 находится плотность и объем пара, образовавшегося при испарении жидкости, находящейся в испарителе 2.

Так как объем испарителя 2 постоянный, то, например, с увеличением давления в магистрали 8 объема образовавшегося пара будет не достаточно для выдавливания зеркала жидкости в зону конденсации 4 холодильника 10 и интенсивной конденсации пара не произойдет, а с уменьшением сопротивления (давления) в магистрали 8 выдавливание зеркала жидкости в зону конденсации 4 холодильника 10 произойдет при частичном испарении жидкости в испарителе 2 и интенсивная конденсация пара в зоне конденсации 4 холодильника 10 будет компенсироваться испарением оставшегося объема жидкости в испарителе 2, что требует дополнительного количества тепла сверх необходимого. Объем испарителя 2 выбран таким, что он обеспечивает вытеснение зеркала жидкости при полном в нем ее испарении из транспортной зоны 3 в зону конденсации 4 трубы 1 при выбранном давлении нагнетания, например минимальном рабочем или любом другом.

При увеличении давления в магистрали 8 жидкость по каналу 16, трубопроводу 19 или трубопроводу 20 через открывшийся клапан 21 поступает на вход 17 устройства 18.

При этом сильфон 36, внутренняя полость которого заполнена газом, сжимается, сжимает связанный с ним сильфон 38, эффективная площадь которого меньше эффективной площади сильфона 36, т.к. он находится внутри последнего, и дополнительный объем жидкости, пропорциональный увеличению давления в магистрали 8 и обеспечивающий образование дополнительного объема пара для выдавливания зеркала жидкости из транспортной зоны 3 в зону конденсации 4, вытесняется по трубопроводу 30 через открывшийся клапан 31 в испаритель 2.

Одновременно с вытеснением жидкости из сильфона 38 в испаритель 2 происходит всасывание жидкости из магистрали 6 всасывания по трубопроводу 28 через открывшийся клапан 29, расширяющимся и связанным с сильфоном 36 сильфоном 39, эффективная площадь которого больше эффективной площади сильфона 38, но меньше эффективной площади сильфона 36 так, что суммарная эффективная площадь сильфонов 38 и 39 меньше эффективной площади сильфона 36.

Одновременно с вытеснением дополнительного объема жидкости в испаритель 2 устройством 18 аккумулируется часть энергии цикла вытеснения за счет сжатия сильфона 36. На этом цикл вытеснения заканчивается.

В момент начала интенсивной конденсации пара в зоне 4 конденсации холодильника 10 давление внутри трубы 1 падает, что приводит к прекращению процесса вытеснения жидкости из транспортной зоны 3 в магистраль 8, закрытию клапанов 7, 21 (если устройство 18 соединено с каналом 16 трубопроводом 20 и 31, расширению сильфона 36 и вытеснению объема жидкости, поступившего во внутреннюю полость устройства 18 в процессе цикла вытеснения по трубопроводу 19 во внутреннюю полость трубы 1 или по трубопроводу 22 через открывшийся клапан 32 в магистраль 8, если трубопровода 19 нет, а прекращение цикла вытеснения вызывает падение давления в магистрали 8. Одновременно с расширением сильфона 36 расширяется связанный с ним сильфон 38, который по трубопроводу 33 через открывшийся клапан 34 заполняется жидкостью из магистрали всасывания 6, а сильфон 39, связанный с сильфоном 36, сжимается и объем жидкости, пропорциональный давлению (массе) пара, полученному в процессе цикла вытеснения, из его внутренней полости через открывшийся клапан 26, связанный с выходом 27 устройства 18, по каналу 24 поступает в кольцевую полость 13, а оттуда через отверстия 14 на охлаждение внутренней поверхности 15 транспортной зоны 3 и интенсификацию конденсации пара внутри трубы 1. После понижения давления внутри трубы 1 до давления, меньшего давления в магистрали 6 всасывания, клапаны 9 и 11 открываются, при этом жидкость по каналу 12 поступает в кольцевую полость 13 и оттуда через отверстия 14 на дальнейшее охлаждение внутренней поверхности 15 транспортной зоны 4, конденсацию пара и заполнение трубы 1, а через открывшийся клапан 9 жидкость из магистрали 6 всасывания заполняет внутреннюю полость трубы 1. После заполнения внутренней полости трубы 1 жидкостью клапаны 9 и 11 закрываются и цикл повторяется.