专利名称：用于在与自然对流方向相反的方向中自动传热的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在与自然对流方向相反的方向中自动传热的方法和装置。该方法及该装置可在各种经济部门中用于加热位于热源下方的设施，例如，用于将热量自太阳能集热器传递给位于下方的水箱，用于在高输出量时加热在地下储气槽中的液化石油气(丙烷-丁烷)，用以加热在高速公路、机场跑道以及车库的车道下的地面，用于温室或温床中以及用于自烟囱气体回收的废热的传递等等。
背景技术：
专利PL192167的描述公开了一种用于在与自然对流方向相反的方向中的热传递的方法及装置。根据专利PL192167的方法在于在周期操作的循环回路中使用气液溶液(例如，二氧化碳水溶液)作为传热剂的技术。该循环回路并非完全由液体填充。气体饱和的液体传热剂在该回路的下降分支的上部部分中被加热。所溶解的气体自该溶液释出，且其压力将经稀释的热的传热剂推动向下通过下降分支。在该回路的底部部分，该传热剂被冷却且随后流入上升分支中。因此，该液体的液位在上升分支中上升；在冷且经稀释的容器上方的气体体积降低且该气体溶解于其中。当在冷分支与热分支之间达到某个压力差及液位差时，在该回路的上部部分中的通路被打开，且气体自该热下降分支通过该通路流向该冷上升分支的上部部分。同时，多余的变浓的冷却溶液借由重力而自冷上升分支经由中间通道向下流向热下降分支的上部部分。在该回路的上部部分中的通路接着关闭且重复该周期。根据专利PL192167的装置由具有如下两个分支的封闭循环回路构成:上升分支和下降分支；质量交换器，该质量交换器经设计以溶解位于该上升分支的上部部分中的气体；以及气体容器，该气体容器具有连接至该质量交换器的挠性壁。下降分支的上部部分合并有加热器且冷却器被置于该回路的底部部分中。此外，该循环回路具备中间通道，该中间通道用于将该上部下降部分与该上部上升部分连接，其中该通道的入口被置于液体液位下方。另外，该循环回路包含液体密封类型的控制阀，控制阀位于下降分支的上部部分；同时液体密封件的通路管连接至上升分支的上部部分。液体密封件取决于这里的两个分支之间的压力差(因而还取决于在这两个分支中的液体液位差)而自动打开和关闭。为了在该回路中实现传热剂的单向流动(也就是自热下降分支经由冷却器流向冷上升分支，以及自冷上升分支的上部部分经由中间通道流向热下降分支的上部部分)，将止回阀装设于流动路径上。
发明内容
根据本发明，在与自然对流的流动方向相反的方向中的热传递的方法在于引入额外的泵送物质到受热区域。该泵送物质不能溶解于传热剂中且其沸腾温度低于传热剂的沸腾温度。传热剂被加热，泵送物质蒸发且该泵送物质的蒸汽压力用以驱使热的传热剂沿着循环回路的分支流动。接着，该泵送物质的废弃蒸汽自热下降分支的上部部分转移至具有较低温度的区域，在该区域中该蒸汽发生冷凝。随后将所获得的冷凝物重新引入至受热区域。该泵送物质的量不小于用以填充该循环回路的未由带有自身蒸汽的液体传热剂所占据的剩余体积以及用以填充自冷凝区域通向蒸发区域的冷凝物排放路径所必需的量。该泵送物质的密度优选地小于传热剂的密度。根据本发明，将用于在与自然对流方向相反的方向中的热传递装置设计成合并有如下两个分支的封闭流动环路:热下降分支和冷上升分支，其中两个分支经由位于该回路的底部部分中的冷却器互相连接，同时在上部部分中这两个分支终止于两个容器:热流体容器和冷流体容器。该装置还具有控制阀及中间通道，控制阀为液体密封类型，其具有用于连接上面提到的容器的蒸汽区域的通路管，中间通道用于将传热剂自冷流体容器排放至热流体容器。该装置还具有用于确保在该回路的分支中及在中间通道中液体单向流动的止回阀。该装置的特征在于其设计包括用于该泵送物质的蒸汽冷凝技术手段以及用于将冷凝物自冷凝区域向下排放至蒸发区域的技术手段。根据本发明，该装置的特征在于用于该泵送物质的蒸汽冷凝手段为储存于冷流体容器中的冷的传热剂，且该泵送物质的蒸汽借由与该传热剂直接接触而冷凝。根据本发明，用于将泵送物质的冷凝物排放至蒸发区域的手段为中间通道，中间通道在其入口处具有套筒伸缩管，该管经固定以使得其具有在中间通道内部进行不受限制的垂直运动的可能性，而该管的入口位于中间通道外部且借助于浮子而刚好保持处于冷流体容器的液面下方。根据本发明的装置的另一个具体实施例为用于将泵送物质的冷凝物排放至蒸发区域的手段为装设于至该中间通道的入口处的收集漏斗。具有漏斗的入口位于冷流体容器的底部上方，而中间通道具有第二入口，第二入口位于收集漏斗的下方且刚好处于冷流体容器的底部上方。漏斗的位置，第二入口的横截面以及中间通道的液压阻力经调节以使得在排放操作期间在中间通道中的液体液位下降至低于收集漏斗时，中间通道中的液体液位低于第二入口。本发明的装置的另一个具体实施例为其具有气冷式冷凝器，用于将蒸汽自冷流体容器的上部部分传送至冷凝器的上部部分的管，以及用于排放冷凝物的排放通道。将用于排放冷凝物的该通道的出口置于热流体容器内部的液面下方，且该通道的高度经谨慎调整以使得在该通道出口处的泵送物质的冷凝物柱的静液压力超过在该排放通道的出口点处位于热流体容器内部的传热剂的静液压力。根据本发明的装置的另一个具体实施例的特征在于用于泵送物质的蒸汽冷凝手段为表面热交换器。用泵送物质的废弃蒸汽来供应表面热交换器的一个管口，同时用冷的传热剂来供应另一个管口。将表面热交换器置于蒸发区域上方，以使得在这里累积的冷凝物借由重力向下排放至受热区域，而用于排放冷凝物的通道的出口位于液体液位下方的受热区域中，且有目的地调整用于排放冷凝物的通道的高度，以使得在该通道内部的冷凝物的静液压力超过来自所述通道的在通道的出口处的热流体容器中的传热剂的压力。用于在与自然对流方向相反的方向中的热传递的装置被设计成具有包含两个分支的流动环路的形式，这两个分支即为热下降分支和冷上升分支，其中这两个分支在底部侧经由冷却器互相连接，且在上部侧这两个分支以两个容器结束，两个容器分别为热流体容器和冷流体容器；该装置还具有控制阀，控制阀被制作成液体密封件，该液体密封件具有用于出于压力补偿目的而将该容器的蒸汽区域互相连通的通路通道，以及中间通道，中间通道用于向下排放传热剂，以及止回阀，该止回阀用于提供液体的单向流动，该装置的特征在于控制阀具有浮子/连接至盖片且置于液体密封件的计量容器内，同时附加浮子直接置于热流体容器内部，以及绳带机构，该绳带机构连接这两个浮子并且使这两个浮子能够进行有限范围之内的自由运动。用于朝向自然对流方向的相反方向传递热的装置，特征在于其包括具有挠性防真空膜的容器，该容器用于保护盖装置以免在该装置内部的压力下降至大气压以下，该容器对周围环境开放且具备防真空膜，其中传热剂位于该膜的一侧，同时在膜的另一侧为处于环境压力下的媒介，且当该装置中的压力等于或大于环境压力时，该容器的工作容量不小于由泵送物质的蒸汽所占据的体积。根据本发明的方法使得有可能同时从水和制冷剂的优点中获益。对于操作效能而言，水及其溶液为最便捷的传热剂。而制冷剂又充当高效泵送剂，这是因为其在0° C到100° C的温度范围内的饱和蒸汽压力高于大气压。这种情况防止大气中的空气渗透入该装置的内部，这是因为这种渗透将使得泵送物质的蒸汽的冷凝过程无法进行。所考虑的设备类型可以使用相对于传统制冷剂对环境的危害性较少的环境友好型泵送物质(例如，烃类)。另一个重要因素也就是泵送物质的数量，对于本发明而言其数量极小而且每一千瓦的传热功率仅合计约10克。
本发明的主题将参照具体实施例和所附的附图进行详细说明。图1，2，3，4示出在装置操作的后续阶段期间具有至中间通道的可移动(套筒式，可伸缩式)入口的装置示意图；图5，6和7示出具有收集漏斗的装置的示意图；图8，9和10示出了具有膜类型热交换器及通往热容器的冷凝物排放器的装置的示意图；图11，12和13示出了作为具有浮阀的液体密封件形态的控制阀的具体实施形式；图14和15示出具有防真空压力膨胀容器的装置的示意图。
具体实施例方式在与自然对流方向相反的方向中的热传递方法，其特征在于:将额外的泵送物质引入加热区域中，该额外的泵送物质的沸点低于传热剂的沸点且不溶于传热剂。接着，将传热剂加热以使泵送物质蒸发且将泵送物质所得的蒸汽压力用于驱使热的传热剂沿着该循环回路的分支流动，同时将该泵送物质的废弃蒸汽自热下降分支的上部部分传送至使该泵送物质冷凝的较低温度区域。随后，将冷凝物重新引入至加热区域。泵送物质的量不小于用以通过蒸汽填充未由液体传热剂占据的循环回路的剩余体积以及用以填充自冷凝区域至蒸发区域的冷凝物排放路径所必需的量。优选地，被引入到部分地填充有液体传热剂的封闭循环回路中的泵送物质的密度应小于传热剂的密度。
用于在与自然对流方向相反的方向中传热的装置被设计成结合有用于泵送物质的蒸汽冷凝技术手段并且包括用于将冷凝物自冷凝区域排放到蒸发区域的技术手段。用于泵送物质的蒸汽冷凝手段为储存在冷膨胀容器B中的冷传热剂，以及借由与传热剂的直接接触来使该泵送物质的蒸汽被冷凝。用于排放累积在该装置内部的蒸汽冷凝物的手段为采用套筒管10终止的中间通道9，套筒管10被固定以使其能够在中间通道9内部进行垂直运动而不会受限制，然而管的入口设置在中间通道外部并且借助于浮子11而刚好固持于该冷流体容器中的液面下方。用于将该泵送物质的冷凝物自冷凝区域排放至蒸发区域的手段为装设于通往中间通道的入口 16处的漏斗15，入口 16通往位于冷流体容器B底部上方的中间通道的末端，而中间通道9具有位于收集漏斗15下方的第二入口 16。第二入口的横截面以及中间通道的液压阻力经调整以使得当在冷流体容器B内部的传热剂的液位处于收集漏斗15下方时，在中间通道内部的传热剂的液位处于第二入口 16的下方。该装置具有:冷凝器17，其与周围环境保持热接触，管21，其用于将蒸汽传递到冷凝器并且自冷流体容器B的上部部分通往冷凝器17的上部部分，以及冷凝物的排放通道19，然而冷凝器17设置于热流体容器A上方的一定高度上，以使得处于排放通道19的出口处的冷凝物的静液压力超过在排放通道19的出口所在位置处的热流体容器A内部的压力。冷凝器实施为一个换热器17，其一个通道自一侧连接到冷上升分支5以及用于排放该冷载体的通道20。该换热器的另一个通道自一侧与用于传送来自冷流体容器B的蒸汽的通道18连接，且在另一侧上与用于该冷凝物排放的通道19连接。将该后面一个通道的出口设置于该液面的液位下方，位于热流体容器A的底部部分中。通道19的高度经慎重调整以使得在其出口处在该通道内部所收集的冷凝物的静液压力超过来自该通道的在出口位置处的热流体容器A内部的压力。用于在与自然对流方向相反的方向中的传热装置的特征在于控制阀6，7，8被设计成具有液体密封件的形态，其具有连接到盖片22并且置于所述液体密封件的计量容器6的内部的浮子21，同时额外的浮子23被直接设置在热流体容器A内部，以及绳带机构24，其连接到所述两个浮子。为了保护该装置以避免装置内部压力下降至大气压以下，该装置具有压力延伸容器25，其具有防真空膜26并对周围环境开放。传热剂被传送到膜26的一侧，同时该膜的另一侧与处于环境压力的媒介接触，并且当装置中的压力等于或大于环境压力时，该容器的工作容量不小于由该泵送物质的蒸汽所占据的体积。具体实施例1此方法假设将额外的泵送物质引入到该受热区域流动循环中。该物质的密度小于该液体传热剂的密度，在该传热剂中不可溶并且其沸腾温度低于该传热剂的各个沸腾温度。由于戊烷在大气压下的沸腾温度为36.1° C，所以使用戊烷作为该泵送物质。接下来，传热剂被加热，该泵送物质蒸发且该泵送物质的蒸汽压力驱使该传热剂在该循环回路的分支中循环。该泵送物质废弃的蒸汽自热下降分支的上部部分传送至具有较低温度的区域，在该较低温度的区域中，蒸汽发生冷凝。冷凝物接着被重新引入受热区域并且泵送物质的数量不小于用于填满未由液体传热剂占据的该循环回路的部分以及用以填充自冷凝区域通往蒸发区域的冷凝物排放通道所必须的蒸汽的质量。
具体实施例2在图1中示出根据本发明的装置的示意图。该装置被制作成包括冷却器I的封闭循环回路，其中液体传热剂4 (已经由热源3在热流体容器A中加热)经由热下降分支2被传递给冷却器I。冷却后的传热剂经由冷上升分支5离开冷却器并且被传递进入冷流体容器B。另外，该装置具有液体密封类型的控制阀，该控制阀设置在热流体容器A内部，并且由计量容器6，填充虹吸管7以及通路管8组成。通路管8的入口设置成临近计量容器6的底部同时其出口位于冷流体容器B的上部部分中。该装置还具有一个中间通道9，中间通道9的末端之一在刚好位于热流体容器A的下方处与热分支2连接。该管的第二末端装设于冷流体容器B的底部中。将套筒管10自冷流体容器B的侧面引入到中间通道9中，其中该管能够沿着垂直方向进行不受限制的运动。套筒管10的自由端具有浮子11，浮子11的大小经设定以使得进入该套筒管的入口刚好位于容器B内部的液面下方。此外，中间通道9和冷上升分支5设置有止回阀12和13。该装置填充有液体传热剂4而使得在冷流体容器B内部的传热剂的液面高于在开闭控制阀时由热流体容器A中的传热剂所达到的液位。此外，该循环回路还包括一定数量的液体泵送物质，例如戊烷，该一定数量为填充未由含饱和蒸汽的流体所填充的该回路的剩余体积所必需的且足以在热流体容器A内部产生必需的工作压力的数量。该数量足够高以用于一次性驱动输送由该控制阀所设定的一定体积的受热载体并且用于将该一定体积的受热载体通过冷却器I推送到冷流体容器B。在该传热剂排放的阶段期间，泵送物质的蒸汽经由通道管8传送至冷流体容器B。由于与冷的传热剂直接接触，该废弃的蒸汽在该冷流体容器中冷凝，且冷凝物形成漂浮于该传热剂的上层。在该冷凝物排放的后续阶段期间，冷凝物接着经由中间通道9与传热剂一起进行排放，而来自泵送物质的冷凝物的排放经由套筒管10而实现。该装置以周期方式操作，而该工作周期由两个阶段组成:将该传热剂自热流体容器A经由冷却器I泵送至冷流体容器B，随后将冷的传热剂连同泵送物质的冷凝物一起自冷流体容器B排放至热流体容器A。该泵送阶段的开始对应于当容器A内部的液体液位到达充当用于用液体填充计量容器6的通路的填充虹吸管的弯部时的时刻。因此该液体液位防止由该泵送物质产生的蒸汽传送至容器B(图1)。由于供应更多热量给容器A，由泵送物质产生的蒸汽量伴随其在该容器内的压力而增加，这造成逆转该液体的流动方向，关闭在中间通道9中的止回阀12并且打开在分支5中的止回阀13。泵送物质的蒸汽使得加热的传热剂自容器A移位，流经冷却器I且到达容器B。由于容器B逐渐由经冷却的传热剂填充，所以在该容器内部收集的泵送物质的蒸汽发生冷凝。在图2中示出在泵送阶段期间传热剂的流动方向以及止回阀及控制阀的状态。当容器A内部的泵送物质的蒸汽压力超过在通路管8中的液体静液压力时，该液体传热剂被驱动自计量容器6经由通路管8流至容器B (图3)。在计量容器6经由该通路管排空之后，泵送物质的废弃的蒸汽自容器A流至容器B，这使得两个容器中的蒸汽压力相同并且由此开始向下排放阶段。由于离开容器B的流体流的压力，在分支5中的止回阀13关闭的同时在中间通道9中的止回阀12打开。结果，来自容器B的流体由于重力经由中间通道9向下排放至容器A，同时该传热剂的流动伴随有经由通路管8至容器B的蒸汽的同步流动。在容器B内，传热剂经由套筒管10流至中间通道9中。借助浮子11将该套筒管的入口恰好固定于液体液位下方。因而提供与泵送物质14的冷凝物一起的从上部层至所述通道的传热剂流动。在图4中示出在向下排放阶段期间，传热剂的流动方向，泵送物质的流动方向以及止回阀的状态。具体实施例3本发明的具体实施例2所描述的装置的另一个实施例在图5中示出，其中收集在冷流体容器B中的泵送物质的冷凝物经由装设于所述中间通道9的入口上的收集漏斗15供应给中间通道9。中间通道9经升高而高于冷流体容器B的底部和该通道入口的高度，以及因而该收集漏斗的装设点被置于在泵送阶段的末端处填充冷流体容器B的最大液位与在向下排放阶段的末端处填充该容器的该容器的最小液位之间。此外，中间通道9具有置于恰好位于冷流体容器B的底部上方的附加入口 16，入口 16的横截面积为F2。横截面积必须针对特定的装置单独地使用下面的公式确定:
权利要求
1.一种用于在与自然对流方向相反的方向中的热传递方法，其特征在于:将额外的泵送物质引入受热区域中，在该受热区域中泵送物质不可溶解于传热剂，且泵送物质的沸腾温度低于传热剂的沸腾温度，接着加热该传热剂以使得泵送物质可以蒸发，且蒸发所产生的蒸汽压力被用以驱使传热剂在流动环路的分支中循环，同时将废弃的蒸汽自热下降分支的上部部分传导至具有较低温度的区域，在具有该较低温度的区域中，该废弃的蒸汽被冷凝且将冷凝物重新引入受热区域，另外，泵送物质的量不小于用于通过该泵送物质的蒸汽填充不具有液体传热剂的循环回路的剩余部分所必需的量，以及填充自冷凝区域通往蒸发区域的冷凝物的排放路径所必需的量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，液体泵送物质的密度优选地小于传热剂的密度。
3.用于在与自然对流方向相反的方向中的热传递的装置，该装置被制作成结合有下述两个分支的封闭循环回路:热下降分支(2)和冷上升分支(5)，其中这两个分支在一侧经由冷却器(I)互相连接且在另一侧上这两个分支分别终止于两个容器:热容器(A)和冷容器(B)，且该装置具有控制阀(6)，(7，8)，控制阀(6)，(7，8)具体实施为具有用以连接所提及的容器的蒸汽体积的通路管(8)的液体密封件，及中间通道(9)，该中间通道(9)用以将传热剂自冷流体容器(B)排放至热流体容器(A)，及止回阀(12，13)，止回阀(12，13)用以确保液体的单向流动，其特征在于，该装置设计成结合有用以泵送物质的蒸汽冷凝的技术手段以及用以将冷凝物自冷凝区域排放至蒸发区域的技术手段。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于:用以进行泵送物质的蒸汽冷凝手段为储存于冷流体容器(B)中的冷的传热剂，同时借由与载热剂的直接接触来冷凝泵送物质的蒸汽，而用于排放来自泵送物质的冷凝物的手段为以套筒管(10)终止于中间通道(9)，该套筒管(10)经固定以使得该套筒管可以在中间通道(9)内部进行不受限制的垂直运动，而套筒管的入口位于中间通道外部且借助于浮子(11)而刚好固持于冷流体容器(B)的液面下方。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于:用于将泵送物质的冷凝物自冷凝区域排放至蒸发区域的手段为位于冷流体容器(B)底部上方装设于至中间通道(9)的入口处的收集漏斗(喇叭)(15)，该中间通道(9)具有位于该收集漏斗(15)下方的第二入口(16)，另外，第二入口的横截面及中间通道的液压阻力经调整以使得当冷流体容器(B)内部的传热剂的液位低于该收集漏斗(15)时，在中间通道内部的传热剂的液位低于该第二入口( 16)。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于:其具有冷凝器(17)，该冷凝器(17)与周围环境热接触，管(18)被提供用于为冷凝器供给蒸汽并且自冷流体容器(B)的上部部分通往该冷凝器(17)的上部部分以及用于冷凝物的排放通道(19)，而该通道(19)的出口位于热流体容器(A)内部的液体液位以下，且将该冷凝器(17)置于热流体容器(A)上方的一定高度，以使得在排放通道(19)的出口处的冷凝物的静液压力超过热流体容器(A)内部的压力。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于:冷凝器被制作成为具有两个流动通路的热交换器(17)，这两个流体通路其中的一个通路在一侧连接到该回路的冷上升分支(5)，且在另一侧经由用于向下排放冷流体的通道(20)而连接至冷流体容器(B)的液体区域，且另一通路在一侧经由用于传送废弃的蒸汽的通道(18)而连接至容器(B)的蒸汽区域，并且在另一侧连接至排放通道(19)，排放通道(19)的出口置于热流体容器(A)内部的液体液位下方，并且有目的地调整高度以使得在通道(19)内部收集的冷凝物的静液压力超过在该通道的出口处的该容器(A)内部的压力。
8.用于在与自然对流方向相反的方向中的热传递装置，该装置被设计为具有包含两个分支的流动环路的形式，这两个分支即为热下降分支及冷上升分支，其中这两个分支在底部侧经由冷却器相互连接，且在上部侧以两个容器结束，这两个容器分别为热流体容器(A)和冷流体容器(B);所述装置还具有被制作成液体密封件(6，7,8)的控制阀，液体密封件(6，7，8)具有出于压力补偿目的而用于相互连接所述容器的蒸汽区域的通路通道(8)，以及用于向下排放传热剂的中间通道(9)，以及用于提供液体的单向流动的止回阀(12，13)，其特征在于，控制阀(6，7，8)具有浮子(21)，浮子(21)连接至盖片(22)且置于液体密封件的计量容器(6)的内部，同 时一附加浮子(23)直接置于热流体容器(A)内部，以及绳带机构(24)，该绳带机构(24)连接该两个浮子及使得该两个浮子能够进行有限范围的自由运动。
9.根据权利要求3，4，5，6，7和8所述的装置，其特征在于，该装置具有用于防止在容器内部的压力下降至低于大气压的膨胀容器(25)，该容器(25)对周围环境开放且具备防真空膜(6),其中传热剂在该膜(6)的一侧，同时在该膜的另一侧为处于环境压力下的媒介，且在装置中的压力等于或大于环境压力时，该容器的工作容量不小于由泵送物质的蒸汽所占据的体积。
全文摘要
根据本发明，在与自然对流方向相反的方向中的传热方法在于将额外的泵送物质引入到受热区域中。该泵送物质不能溶解于传热剂并且其沸腾温度低于传热剂的沸腾温度。传热剂被加热，泵送物质蒸发并且该泵送物质的蒸汽压力用于驱动热的传热剂沿着循环回路的分支流动。用于在与自然对流方向相反的方向中的传热装置的特征在于其被设计成将用于泵送物质的蒸汽冷凝的技术手段以及用于将冷凝物从冷凝区域排放到蒸发区域的技术手段结合在一起。
文档编号F28D15/02GK103154656SQ201180036499
公开日2013年6月12日 申请日期2011年7月15日 优先权日2010年7月26日
发明者丹尼尔·科鲁津斯基, 尤里·多布里安斯基, 迈克尔·杜达, 雅努什·皮耶霍茨基, 马立克·萨姆塞尔, 罗伯特·沃伊齐克 申请人:瓦尔米亚-马祖里省奥尔什丁大学, 霍亚历克斯有限责任有限合伙公司, 丹尼尔·科鲁津斯基, 尤里·多布里安斯基, 迈克尔·杜达, 雅努什·皮耶霍茨基, 马立克·萨姆塞尔, 罗伯特·沃伊齐克