DE112015000961B4

DE112015000961B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Wärmeübertragung

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Publication number: DE112015000961B4
Application number: DE112015000961.2T
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2015-02-20
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2035-02-21
Also published as: RU2553827C1; CN106062498A; DE112015000961T5; US20160363382A1; EA201691689A1; CN106062498B; US10443950B2; EA034317B1; WO2015130197A1

Abstract

Ein Verfahren zum Übertragen von Wärme, das folgende Schritte aufweist:Erwärmen eines oder mehrerer Verdampfertanks (1), die mit zumindest zwei verschiedenen Fluiden gefüllt sind, durch eine Wärmeenergiequelle, wobei ein erstes Fluid in einer gasförmigen Phase ist und ein zweites Fluid in einer flüssigen Phase ist;Bewirken eines Druckanstiegs in dem Verdampfertank und eines Übergangs der flüssigen Phase des zweiten Fluids in eine gasförmige Phase des zweiten Fluids, die mit der gasförmigen Phase des ersten Fluids gemischt ist, durch das Erwärmen;Bereitstellen, unter dem angestiegenen Druck in dem Verdampfertank, eines Flusses des Gemischs der gasförmigen Phasen des ersten und zweiten Fluids über eine oder mehrere Dampfleitungen (2) in einen oder mehrere Kondensatoren (3), wo die gasförmige Phase des zweiten Fluids unter Abgabe von Kondensationswärme an einen Wärmeenergieempfänger und Bildung einer flüssigen Phase des zweiten Fluids kondensiert wird;Bereitstellen, unter dem angestiegenen Druck in dem Verdampfertank, eines Flusses der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids, die mit einer gasförmigen Phase des ersten Fluids gemischt ist, über eine Flüssigkeitsleitung (4) in einen Sammeltank (5), bis ein Druck in dem Verdampfertank (1) einen Druck in dem Sammeltank (5) übersteigt;Reduzieren, sobald das gesamte zweite Fluid in dem Verdampfertank von der flüssigen Phase zu der gasförmigen Phase übergegangen ist, während eine Kondensation der gasförmigen Phase des zweiten Fluids in dem Kondensator fortfährt, des Drucks in dem Verdampfertank auf einen Druckwert, der niedriger als derjenige in dem Sammeltank ist, wodurch ein Fluss der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids und der gasförmigen Phase des ersten Fluids von dem Sammeltank zu dem Verdampfertank durch ein oder mehrere Rückschlagventile, die an einer oder mehreren Rückleitungen (6) angebracht sind, sichergestellt wird, wobei ferner ein Separator (8) an der Rückleitung bereitgestellt ist, um das Gemisch der gasförmigen Phase des ersten Fluidmediums und der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids, das den Sammeltank verlässt, in einen Fluss (10) der gasförmigen Phase des ersten Fluids und einen Fluss (9) der flüssigen Phase des zweiten Fluids zu trennen und um eine Verzögerung zwischen der Ankunftszeit der gasförmigen Phase des ersten Fluids und der Ankunftszeit der flüssigen Phase des zweiten Fluids in dem Verdampfertank bereitzustellen, wobei die gasförmige Phase des ersten Fluids als erste eintrifft und danach die flüssige Phase des zweiten Fluids eintrifft.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Wärmetechnologie und kann verwendet werden, um große Mengen von Wärme bei kleinen Temperaturunterschieden (Gradient) über beträchtliche Distanzen zu übertragen, insbesondere, um beträchtliche Wärmeflüsse von einer Vorrichtung zur anderen zu übertragen, beispielsweise, um eine Wärmeleistung von bis zu 10 kW oder mehr über eine Distanz von 0,01 m bis 1 km oder mehr zu übertragen.
Beschreibung des Stands der Technik
Es besteht ein Bedarf in der Technologie, erhebliche Wärmeflüsse bis zu einigen oder mehreren zehn Kilowatt von einer Wärmequelle zu einem Wärmeverbraucher zu übertragen, die um eine beträchtliche Distanz, etwa von mehreren zehn Metern bis zu 1 km, voneinander beabstandet sind. Bei Bedingungen einer Umgebung mit starker Funkenbildung und Brandgefahr sollten darüber hinaus eine Wärmequelle, die zum Erzeugen von Wärme Treibstoff verbrennt, und ein Wärmeverbraucher, der sich in der Umgebung mit starker Funkenbildung und Brandgefahr befindet, zu einem größtmöglichen Ausmaß voneinander beabstandet sein. Es gibt Wärmeübertragungsverfahren, die auf einer Anwendung von Wärmerohren basieren. Herkömmliche technische Lösungen verwenden jedoch als einen Mechanismus zum Zurückführen von kondensiertem Kühlmittel einen Docht aus porösem Material oder eine Einrichtung, die die Schwerkraft nutzt, oder eine zusätzliche Einrichtung zum Zwangspumpen, die einen Transport von kondensiertem Kühlmittel von einem Kondensationsbereich zu einem Verdampfungsbereich bereitstellen. Darüber hinaus sind herkömmliche Lösungen nicht in der Lage, wesentliche Wärmemengen über große Distanzen von 40 m bis 1 km oder mehr zu übertragen.
Es gibt herkömmliche Lösungen, die einen Docht aus porösem Material verwenden. Das Dochtmaterial muss einen gleichmäßigen Fluss von Flüssigkeit durch Kapillarporen bereitstellen. Der Docht kann Metallfilz, Metallstapel oder Gewebe in Köperbindung aufweisen. Die besten Materialien für einen Wärmerohrdocht sind Titan, Kupfer, Nickel und rostfreier Stahl. Ein derartiger Mechanismus ist beispielsweise in RU 2208209 C2 offenbart.
Andere Lösungen verwenden zum Zurückführen von kondensiertem Kühlmittel einen Schwerkraftmechanismus, bei dem ein Kondensator höher als ein Verdampfer angeordnet ist und das Kühlmittel durch Überlaufen des kondensierten Kühlmittels von dem Kondensator, der relativ zu dem Schwerefeld höher als der Pegel des Verdampfers angeordnet ist, zu dem Verdampfungsbereich zurückgeführt wird. Der Mechanismus wird insbesondere in RU 2349852 C1 offenbart.
Bei einer weiteren Lösung, die in RU 2361168 C1 vermittelt wird, die als der am meisten relevante Stand der Technik gilt, wird das kondensierte Kühlmittel unter Verwendung einer zusätzlichen Einrichtung zum Zwangspumpen des kondensierten Kühlmittels zurückgeführt. RU 2361168 C1 offenbart ein Wärmerohr, das einen oder mehrere Wärmesenkenabschnitte in Kontakt mit einer oder mehreren Wärmeenergiequellen, eine oder mehrere Dampfleitungen, einen oder mehrere Wärmeabgabeabschnitte in Kontakt mit einem oder mehreren Wärmeenergieempfängern und eine oder mehrere Flüssigkeitsleitungen aufweist, die ein geschlossenes System bilden, das ein Arbeitsfluid in Form einer Flüssigkeit und Dampf derselben enthält, wobei die Flüssigkeitsleitung einen Sammel-/Verschiebungsabschnitt aufweist, der durch eine Vorrichtung begrenzt ist, die angepasst ist, einen Fluss des Arbeitsfluids in der Richtung von dem Wärmeabgabeabschnitt zu dem Sammel-/Verschiebungsabschnitt zuzulassen und einen Fluss des Arbeitsfluids in der umgekehrten Richtung zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammel-/Verschiebungsabschnitt außerdem durch eine Vorrichtung begrenzt ist, die angepasst ist, einen Fluss des Arbeitsfluids in der Richtung von dem Sammel-Nerschiebungsabschnitt zu dem Wärmesenkenabschnitt zuzulassen und einen Fluss des Arbeitsfluids in der umgekehrten Richtung zu verhindern; und der Sammel-Nerschiebungsabschnitt eine Verzweigung aufweist, die einen Verdampfungsabschnitt, der mit dem Sammel-/Verschiebungsabschnitt in Kommunikation steht und mit der Wärmeenergiequelle in Kontakt steht; einen Kondensationsabschnitt aufweist, der dem Verdampfungsabschnitt nachgelagert angeordnet ist und mit dem Wärmeenergieempfänger in Kontakt steht; wobei der Sammel-/Verschiebungsabschnitt dem Kondensationsabschnitt nachgelagert angeordnet ist und eine Vorrichtung zum periodischen Erwärmen des Abschnitts auf eine Temperatur, die höher als die Temperatur von Flüssigkeitsleitungsabschnitten des Wärmerohrs ist, und zum periodischen Kühlen des Abschnitts auf eine Temperatur, die nicht höher als die Temperatur von Flüssigkeitsleitungsabschnitten des Wärmerohrs ist, aufweist, oder eine Verzweigung eines nächstliegenden Pegels aufweist. US 4 745 906 A betrifft eine Vorrichtung zur passiven Wärmeübertragung zwischen einer Wärmequelle und einem Kondensator mittels einer verdampfbaren Flüssigkeit und eines Zyklus mit zwei Phasen, die durch ein Schwimmerventil gesteuert werden. Diese Vorrichtung umfasst einen Kessel, der durch die Quelle erwärmt wird, und einen Flüssigkeitstank, wobei der Kessel während einer ersten Zyklusphase dem Kondensator Dampf zuführt, der dann den Tank mit Flüssigkeit versorgt und während der zweiten Zyklusphase Flüssigkeit aus dem Tank aufnimmt. Ein Dampfabscheider ist zwischen dem Kessel und dem Kondensator angeordnet, und das Schwimmerventil ist in diesem Abscheider angeordnet und kommuniziert während der ersten Zyklusphase mit dem Dampfraum von dem Abscheider des Kessels und während der zweiten Zyklusphase mit dem Dampfraum des Abscheiders des Tanks, während diese Verbindungen während der jeweiligen Umkehrung Zyklusphase unterbrochen werden.
US 3 958 627 A betrifft ein Wärmerohr mit variabler Leitfähigkeit in Querrichtung, das auf der Kombination eines geschlossenen Gehäuses mit einer inneren Schallwand zum Ändern der Dampfströmungsrichtung, einer verdampfbaren Flüssigkeit, einem nicht kondensierbaren Gas und einem Reservoir für das nicht kondensierbare Gas basiert.
GB 2 103 782 A offenbart zum passiven Wärmetransport eines Arbeitsfluid, insbesondere nach unten, einen Verdampfer, einen Kondensator, einen Vorratsbehälter und mindestens ein Rückschlagventil. Das Reservoir befindet sich auf einem höheren Niveau als der Verdampfer, und ein Rohr ist vorgesehen, um die Flüssigkeit vom Reservoir zum Kessel zurückzuführen.
In RU 2361168 C1 , dem am meisten relevanten Stand der Technik, weist die Einrichtung zum Zwangspumpen für kondensiertes Kühlmittel Sammel-/ Verschiebungstanks auf, die mit thermoelektrischen Modulen, wie beispielsweise Peltier-Elementen, ausgestattet sind. Abwechselndes Kühlen und Erwärmen von Sammel-/ Verschiebungstanks mit der Hilfe von Peltier-Elementen ändert abwechselnd den Druck, wodurch der Fluss des kondensierten Kühlmittels von dem Kondensator zu dem Verdampfer umgekehrt wird.
Eine Anwendung der zuvor erwähnten Mechanismen zum Zurückführen von kondensiertem Kühlmittel weist eine Anzahl von Nachteilen und Einschränkungen in der Praxis auf. Insbesondere Systeme, die einen Docht verwenden, leiden an geringer Produktivität und sind nicht in der Lage, beträchtliche Wärmemengen über große Distanzen zu übertragen. Systeme mit einem Rückführmechanismus, die die Schwerkraft nutzen, erlegen einer Positionierung des Kondensators, der höher als der Verdampfer angeordnet sein muss, schwere Einschränkungen auf, da die Systeme bei einer anderen Anordnung schlichtweg nicht funktionieren. Systeme, die einen Zwangsrückführmechanismus verwenden, benötigen eine zusätzliche Leistungsversorgung und eine zusätzliche Einrichtung zum Pumpen des kondensierten Kühlmittels, wodurch der Entwurf erschwert und die Kosten der endgültigen Vorrichtung erheblich erhöht werden.
Demgemäß besteht ein Bedarf, ein Wärmerohr zum Übertragen einer großen Wärmemenge von einem Verdampfer zu einem Kondensator, der um eine beträchtliche Distanz von dem Verdampfer beabstandet ist, bereitzustellen, das keinen Docht oder zusätzliche Einrichtung zum Zwangspumpen für kondensiertes Kühlmittel verwenden würde und bei dem sowohl der Verdampfer als auch der Kondensator an ungefähr demselben Pegel in dem Schwerefeld positioniert wären.
Zusammenfassung der Erfindung
Zum Überwinden der zuvor erwähnten Nachteile wird ein Verfahren zum Übertragen von Wärme bereitgestellt, das folgende Schritte aufweist:

Erwärmen eines oder mehrerer Verdampfertanks (1), die mit zumindest zwei verschiedenen Fluiden gefüllt sind, durch eine Wärmeenergiequelle, wobei ein erstes Fluid in einer gasförmigen Phase ist und ein zweites Fluid in einer flüssigen Phase ist;
Bewirken eines Druckanstiegs in dem Verdampfertank und eines Übergangs der flüssigen Phase des zweiten Fluids in eine gasförmige Phase des zweiten Fluids, die mit der gasförmigen Phase des ersten Fluids gemischt ist, durch das Erwärmen;
Bereitstellen, unter dem angestiegenen Druck in dem Verdampfertank, eines Flusses des Gemischs der gasförmigen Phasen des ersten und zweiten Fluids über eine oder mehrere Dampfleitungen (2) in einen oder mehrere Kondensatoren (3), wo die gasförmige Phase des zweiten Fluids unter Abgabe von Kondensationswärme an einen Wärmeenergieempfänger und Bildung einer flüssigen Phase des zweiten Fluids kondensiert wird;
Bereitstellen, unter dem angestiegenen Druck in dem Verdampfertank, eines Flusses der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids, die mit der gasförmigen Phase des ersten Fluids gemischt ist, über eine Flüssigkeitsleitung (4) in einen Sammeltank (5), bis ein Druck in dem Verdampfertank (1) einen Druck in dem Sammeltank (5) übersteigt;
Reduzieren, sobald das gesamte zweite Fluid in dem Verdampfertank von der flüssigen Phase zu der gasförmigen Phase übergegangen ist, während eine Kondensation der gasförmigen Phase des zweiten Fluids in dem Kondensator fortfährt, des Drucks in dem Verdampfertank auf einen Druckwert, der niedriger als derjenige in dem Sammeltank ist, wodurch ein Fluss der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids und der gasförmigen Phase des ersten Fluids von dem Sammeltank zu dem Verdampfertank durch ein oder mehrere Rückschlagventile, die an einer Rückleitung angebracht sind, sichergestellt wird.

Außerdem wird eine Vorrichtung bereitgestellt, um das erfindungsgemäße Verfahren zum Übertragen von Wärme zu implementieren, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:

einen oder mehrere Verdampfertanks (1), die mit zumindest zwei verschiedenen Fluids gefüllt sind, wobei ein erstes Fluid in einer gasförmigen Phase ist und ein zweites Fluid in einer flüssigen Phase ist;
einen oder mehrere Kondensatoren (3), die angepasst sind, die gasförmige Phase des zweiten Fluids unter Abgabe von Kondensationswärme an einen Wärmeenergieempfänger zu kondensieren;
einen oder mehrere Sammeltanks (5), die angepasst sind, die kondensierte flüssige Phase des zweiten Fluids und die gasförmige Phase des ersten Fluids zu sammeln;
eine oder mehrere Dampfleitungen (2), die einen oder mehrere Verdampfertanks und einen oder mehrere Kondensatoren (3) verbinden und über die Dampfleitung (2) einen Fluss eines Gemischs der gasförmigen Phasen des ersten und zweiten Fluids in den Kondensator (3) bereitstellen, unter einem angestiegenen Druck, der durch Erwärmen des Verdampfertanks (1), bis ein Druck in dem Verdampfertank (1) denjenigen in dem Sammeltank (5) übersteigt, bewirkt wird;
eine oder mehrere Flüssigkeitsleitungen (4), die mit einem oder mehreren Kondensatoren (3) verbunden sind und einen Fluss der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids, die mit der gasförmigen Phase des ersten Fluids gemischt ist, in den Sammeltank (5) bereitstellen, bis ein Druck in dem Verdampfertank (1) denjenigen in dem Sammeltank (5) übersteigt;
eine oder mehrere Rückleitungen, die ein oder mehrere Rückschlagventile aufweisen, die an denselben angebracht sind, um den Fluss der Fluids von dem Verdampfertank in den Sammeltank über die Rückleitung zu verhindern, wobei die Rückleitung einen Fluss der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids und der gasförmigen Phase des ersten Fluids von dem Sammeltank in den Verdampfertank bereitstellt, sobald das gesamte zweite Fluid in der flüssigen Phase in dem Verdampfertank in eine gasförmige Phase übergegangen ist, während eine Kondensation der gasförmigen Phase des zweiten Fluids in dem Kondensator fortfährt, und ein Druck in dem Verdampfertank niedriger als derjenige in dem Sammeltank ist.

Die Erfindung stellt die Übertragung einer großen Menge von Wärmeenergie von einer Quelle zu einem Empfänger über beträchtliche Distanzen sicher, ohne Anwendung von porösen Kapillarmaterialien und einer zusätzlichen Einrichtung zum Zwangspumpen von kondensiertem Fluid und unabhängig von der Position der Quelle und des Empfängers in dem Schwerefeld. Außerdem ermöglicht es die Erfindung, eine Wärmequelle, die Treibstoff verbraucht, und einen Wärmeverbraucher, der sich in einer Umgebung mit hoher Brandgefahr befindet, zu beabstanden.
Figurenliste

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungsvorrichtung, bei der ein Verdampfertank über eine Dampfleitung direkt mit einem Kondensator verbunden ist.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungsvorrichtung, die ferner ein Rückschlagventil an einer Dampfleitung aufweist.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungsvorrichtung, die ferner ein Rückschlagventil aufweist, das an einer Flüssigkeitsleitung angebracht ist.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungsvorrichtung, bei der eine Rückleitung ferner einen Separator aufweist, um das Gemisch der gasförmigen Phase des ersten Fluids und der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids, das den Sammeltank verlässt, in einen Fluss der gasförmigen Phase des ersten Fluids und einen Fluss der flüssigen Phase des zweiten Fluids zu trennen und um eine Verzögerung zwischen der Ankunftszeit der gasförmigen Phase des ersten Fluids und der Ankunftszeit der flüssigen Phase des zweiten Fluids in dem Verdampfertank bereitzustellen.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Separators, der einen Satz von Teilungen aufweist.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Separators, der eine Spule aufweist.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Separators, der ein Reservoir mit verschiebbarem Schwerpunkt aufweist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Übertragen von Wärme und eine Vorrichtung zum Implementieren des Verfahrens bereit. Bezugnehmend auf 1 weist eine Wärmeübertragungsvorrichtung einen Verdampfertank (1) auf, der mit zumindest zwei verschiedenen Fluids gefüllt ist, wobei ein erstes Fluid in einer gasförmigen Phase ist und ein zweites Fluid in einer flüssigen Phase ist. Der Verdampfertank kann ein Reservoir in der Form eines Polyeders, eines achsensymmetrischen Körpers oder Kombinationen derselben sein, sowie in der Form einer Spule oder einer Gruppe von Spulen. Es können auch mehrere Verdampfertanks verwendet werden, beispielsweise eine Mehrzahl von Tanks, die durch jeweilige Kanäle zum Transport von Fluids verbunden sind. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel hat der Verdampfertank das Volumen von fünf Litern.
Der Verdampfertank ist mit zwei Fluiden gefüllt, die verschiedene Zusammensetzungen aufweisen und sich in zwei verschiedenen Phasenzuständen befinden, wobei eines der Fluide in dem Verdampfertank in einer gasförmigen Phase ist und das andere in einer flüssigen Phase ist. Das erste Fluid in einer gasförmigen Phase kann ein Fluid sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Luft, Stickstoff, Helium, Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid oder beliebigen anderen Gasen, die in der Industrie verwendet werden, oder Kombinationen derselben besteht. Das zweite Fluid in einer flüssigen Phase ist ein Kühlmittel, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ammoniak, Freonen (Fluorchlorkohlenwasserstoffe), Kohlenwasserstoffen, Alkoholen, Aceton, Wasser oder Gemische derselben und anderen Aufkochflüssigkeiten besteht.
Nach Füllen des Verdampfertanks mit zumindest zwei verschiedenen Fluiden wird dem Verdampfertank durch Verbrennen eines Treibstoffs, Erwärmen durch elektrische Quellen, Verwenden von Abgaswärme von Turbinengeneratoren, Abwärme von Wärmekraftwerken und Prozessanlagen, solaren und geothermischen Wärmequellen oder Kombinationen derselben Wärme zugeführt. Das Erwärmen kann außerdem durch ein beliebiges anderes herkömmliches Verfahren bereitgestellt werden.
Während des Erwärmens des Verdampfertanks (1) verdampft das zweite Fluid in einer flüssigen Phase und verwandelt sich in eine gasförmige Phase des zweiten Fluids, und die gasförmige Phase des zweiten Fluids mischt sich mit der gasförmigen Phase des ersten Fluids. Bei Verdampfung der flüssigen Phase des zweiten Fluids und Druckanstieg in dem Verdampfertank fließt das Gemisch von gasförmigen Phasen des ersten und zweiten Fluids über die Dampfleitung (2) in den Kondensator (3), bis ein Druck in dem Verdampfertank (1) einen Druck in dem Sammeltank (5) übersteigt. Die Dampfleitung (2) verbindet den Verdampfertank (1) mit dem Kondensator (3) und stellt den Fluss des Gemischs von gasförmigen Phasen des ersten und zweiten Fluids in denselben bereit. Die Dampfleitung hat eine Länge von 0,01 m bis über 1 km. Beim Übergang von der flüssigen Phase des zweiten Fluids in eine gasförmige Phase ist ein Druck in dem Verdampfer um 5 bis 10 bar oder mehr größer als ein Druck in dem Sammeltank.
Eine Dampfleitung kann durch mehrere Leitungen, die durch Kanäle zum Durchlassen von Fluid miteinander verbunden sind, implementiert sein. Ein Gemisch von gasförmigen Phasen des ersten und zweiten Fluids tritt in den Kondensator ein, wo dasselbe auf die Sättigungstemperatur gekühlt wird und Wärme an einen Wärmeenergieempfänger abgibt; nach der Kondensation verwandelt sich die gasförmige Phase des zweiten Fluids in eine kondensierte flüssige Phase des zweiten Fluids. Der Kondensator kann ein Kontaktkondensator oder ein Oberflächenkondensator oder eine Kombination derselben sein. Insbesondere kann der Kondensator ein Röhrenbündel sein, das aus mehreren Spulen besteht. Die oberen Röhren der Spulen sind mit der Dampfleitung verbunden und die unteren Röhren sind mit der Flüssigkeitsleitung verbunden.
Um einen Rückfluss der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids und der gasförmigen Phase des ersten Fluids in die Dampfleitung zu verhindern, ist der gesamte hydraulische Widerstand der Dampfleitung, des Kondensators und der Flüssigkeitsleitung größer als der hydraulische Widerstand der Rückleitung.
Die kondensierte flüssige Phase des zweiten Fluids verlässt den Kondensator unter der Einwirkung von hohem Druck in dem Verdampfertank und tritt in die Flüssigkeitsleitung (4) ein, die den Kondensator (3) mit dem Sammeltank (5) verbindet, der die kondensierte flüssige Phase des zweiten Fluids und die gasförmige Phase des ersten Fluids sammelt.
Eine Querschnittsfläche von jedem der Dampfleitung, des Kondensators und der Flüssigkeitsleitung beträgt 0,00001 m² bis 10 m². Eine Länge von jedem der Dampfleitung, des Kondensators und der Flüssigkeitsleitung beträgt 0,01 m bis 10 km. Bei einem Ausführungsbeispiel bilden die Dampfleitung, der Kondensator und die Flüssigkeitsleitung eine einstückige Rohrleitung, die einen gleichmäßigen Querschnitt aufweist, oder eine Mehrzahl von Rohrleitungen mit verschiedenen Querschnitten, wobei die Rohrleitungen in Reihe oder parallel geschaltet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die einstückige Rohrleitung eine koaxiale Röhrenstruktur, die durch zumindest eine Wärmeisolationsschicht getrennt ist. In diesem Fall werden die gasförmige Phase des ersten Fluids und die gasförmige Phase des zweiten Fluids durch den äußeren ringförmigen Raum zugeführt, während die kondensierte flüssige Phase des zweiten Fluids und die gasförmige Phase des ersten Fluids durch den inneren ringförmigen Raum zurückgeleitet werden, oder umgekehrt wird die Zufuhr durch den inneren ringförmigen Raum bereitgestellt und die Rückleitung durch den äußeren ringförmigen Raum. In einem besonderen Fall hat die einstückige Rohrleitung die Länge von 70 m und die Querschnittsfläche beträgt 0,00002 m². Das zweite Fluid in einer flüssigen Phase ist Pentan, und das erste Fluid in einer gasförmigen Phase ist Helium. Das volumetrische Verhältnis zwischen dem ersten Fluid in einer gasförmigen Phase und dem zweiten Fluid in einer flüssigen Phase beträgt 80:20.
Der Transport der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids, die mit der gasförmigen Phase des ersten Fluids gemischt ist, in den Sammeltank (5) wird fortgeführt, bis ein Druck in dem Verdampfertank (1) einen Druck in dem Sammeltank (5) übersteigt. Der Sammeltank kann ein Reservoir in der Form eines Polyeders, eines achsensymmetrischen Körpers oder eine Kombination derselben sein. Der Sammeltank kann auch als mehrere Tanks gebildet sein, die durch jeweilige Kanäle zum Transport von Fluids verbunden sind. Eine Flüssigkeitsleitung ist mit dem Sammeltank durch einen Einlass in dem Sammeltank, der in dem oberen Teil des Sammeltanks angeordnet ist, verbunden.
Ein Auslass des Sammeltanks ist in dem unteren Teil des Sammeltanks angeordnet und mit einer Rückleitung (6) verbunden, die zumindest ein Rückschlagventil (7) aufweist, um den Fluss von Fluids von dem Verdampfertank (1) zu dem Sammeltank (5) über die Rückleitung zu verhindern, bis ein Druck in dem Verdampfertank niedriger als ein Druck in dem Sammeltank wird.
Sobald die flüssige Phase des zweiten Fluids in dem Verdampfertank vollständig in eine gasförmige Phase übergangen ist, während eine Kondensation der gasförmigen Phase des zweiten Fluids in dem Kondensator fortfährt, wird ein Druck in dem Verdampfertank (1) niedriger als derjenige in dem Sammeltank (5), das Rückschlagventil (7) öffnet sich und die kondensierte flüssige Phase des zweiten Fluids und die gasförmige Phase des ersten Fluids bewegen sich von dem Sammeltank (5) zu dem Verdampfertank über die Rückleitung (6), und anschließend wiederholt sich der Zyklus
Bei einem Ausführungsbeispiel, das in 2 gezeigt ist, ist ferner ein Rückschlagventil (7') an der Dampfleitung (2) angebracht, um einen Rückfluss der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids und der gasförmigen Phase des ersten Fluids über die Dampfleitung zu verhindern. Eine derartige Implementierung ist erforderlich, falls der gesamte hydraulische Widerstand der Dampfleitung, des Kondensators und der Flüssigkeitsleitung niedriger als der hydraulische Widerstand der Rückleitung ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel, das in 3 gezeigt ist, ist ferner ein Rückschlagventil (7") an der Flüssigkeitsleitung (4) angebracht, um einen Fluss der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids und der gasförmigen Phase des ersten Fluids über die Dampfleitung zu verhindern.
Bei einem Ausführungsbeispiel, das in 4 gezeigt ist, ist ferner ein Separator (8) höher als der Pegel des Verdampfertanks an der Rückleitung angebracht, um das Gemisch der gasförmigen Phase des ersten Fluids und der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids, das den Sammeltank verlässt, in einen Fluss (10) der gasförmigen Phase des ersten Fluids und einen Fluss (9) der flüssigen Phase des zweiten Fluids zu trennen, und dadurch eine Verzögerung zwischen der Ankunftszeit der gasförmigen Phase des ersten Fluids und der Ankunftszeit der flüssigen Phase des zweiten Fluids in dem Verdampfertank über den Separatorauslass bereitzustellen. Der Separator wird aufgrund der Tatsache bereitgestellt, dass, sobald ein Druck in dem Verdampfer niedriger als derjenige in dem Sammeltank wird, das Gemisch der gasförmigen Phase des ersten Fluids und der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids in einer großen Menge über das Rückschlagventil in den Verdampfer stürzt, wodurch ein Druck in dem Verdampfertank ansteigt und das Rückschlagventil geschlossen wird und der Fluss von Fluids zu dem Verdampfer angehalten wird, was die Leistung der Wärmeübertragungsvorrichtung beeinträchtigt. Um ein Anhalten des Flusses zu verhindern, wird das Gemisch in dem Separator in einen Fluss (9) der flüssigen Phase des zweiten Fluids und einen Fluss (10) der gasförmigen Phase des ersten Fluids getrennt; auf diese Weise trifft der Fluss (10) der gasförmigen Phase des ersten Fluids als Erstes in dem Verdampfer ein, und anschließend beginnt der Fluss (9) der flüssigen Phase des zweiten Fluids mit dem Eintreten in den Verdampfertank. Die Trennung der Ankunftszeit des gasförmigen und flüssigen Mediums verhindert ein Anhalten des Flusses.
5 bis 7 zeigen Ausführungsbeispiele eines Separators (8). Ein Separator (8) in 5 ist ein Reservoir, das in zumindest zwei Teile aufgeteilt ist, wobei, wenn das Rückschlagventil an der Rückleitung offen ist, das Gemisch der gasförmigen Phase des ersten Fluids und der flüssigen Phase des zweiten Fluids über den Separatoreinlass in den Separator eintritt und der Fluss (10) der gasförmigen Phase des ersten Fluids unmittelbar in den ersten Teil des Separators und dann durch den Separatorauslass in den Verdampfertank fließt, während der Fluss (9) der flüssigen Phase des zweiten Fluids in ein Verzögerungssystem (11) eintritt, das Teilungen aufweist, die in abwechselnder Reihenfolge horizontal angebracht sind, wobei die Teilungen überlappende Kanten aufweisen, zwischen denen geschlitzte Durchlässe gebildet sind, in denen die flüssige Phase des zweiten Fluids unter Einwirkung der Schwerkraft fließt; als Ergebnis trifft der Fluss (10) der gasförmigen Phase des ersten Fluids als erster an dem Separatorauslass ein, und der Fluss (9) der flüssigen Phase des zweiten Fluids trifft mit einer Verzögerung an dem Separatorauslass ein, die durch die Zeit zum Durchlassen des Flusses (9) der flüssigen Phase des zweiten Fluids durch das Verzögerungssystem (11), das durch Schlitze und Teilungen gebildet ist, bewirkt wird.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 6 gezeigt ist, ist ein Separator (8) ein Gefäß, das in zwei Teile geteilt ist, wobei, wenn das Rückschlagventil an der Rückleitung offen ist, das Gemisch der gasförmigen Phase des ersten Fluids und der flüssigen Phase des zweiten Fluids durch einen Einlass des Separators in den Separator eintritt. Der Fluss (10) der gasförmigen Phase des ersten Fluids tritt zuerst durch einen Einlass des Separators in den ersten Teil des Separators ein und wird dann unmittelbar durch einen Auslass des Separators in den Verdampfertank geleitet, während der Fluss (9) der flüssigen Phase des zweiten Fluids in ein spulenförmiges Verzögerungssystem (12) eintritt, wobei die Zeit zum Durchfließen desselben ebenfalls die erforderliche Verzögerung zwischen der Ankunft der gasförmigen Phase des ersten Fluids und der Ankunft der flüssigen Phase des zweiten Fluids an dem Separatorauslass bereitstellt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 7 gezeigt ist, ist ein Reservoir mit verschiebbarem Schwerpunkt in einem Separatorgefäß angebracht, und wenn das Rückschlagventil an der Rückleitung offen ist, tritt das Gemisch der gasförmigen Phase des ersten Fluids und der flüssigen Phase des zweiten Fluids durch einen Einlass des Separators in den Separator ein, und der Fluss (10) der gasförmigen Phase des ersten Fluids tritt zuerst in den ersten Teil des Separators ein und wird dann unmittelbar durch einen Auslass des Separators in den Verdampfertank geleitet, während der Fluss (9) der flüssigen Phase des zweiten Fluids in ein Verzögerungssystem (13) eintritt, das durch das Reservoir mit verschiebbarem Schwerpunkt, das in dem Separator untergebracht ist, gebildet ist. Der Separatoreinlass ist unmittelbar über dem Reservoir mit verschiebbarem Schwerpunkt angeordnet und das Volumen dieses Reservoirs ist gleich dem gesamten Volumen der flüssigen Phase des zweiten Fluids. Sobald das Reservoir mit der flüssigen Phase des zweiten Fluids gefüllt ist, verschiebt sich sein Schwerpunkt und das Reservoir kippt, wodurch die erforderliche Verzögerung zwischen der Ankunftszeit der gasförmigen Phase des ersten Fluids und der Ankunftszeit der flüssigen Phase des zweiten Fluids in dem Verdampfertank bereitgestellt wird. Nach dem Kippen kehrt das Reservoir zu seiner ursprünglichen Position zurück, und der Zyklus wiederholt sich.
Die Erfindung ermöglicht das Übertragen großer Wärmemengen über beträchtliche Distanzen. Insbesondere kann die Erfindung bei der Förderung von Kohlenwasserstoffen unter Bedingungen des hohen Nordens Anwendung finden, wo es erforderlich ist, eine Verbrennung von verfügbaren Kohlenwasserstoffen bei einer beträchtlichen Distanz von einem Wärmeverbraucher sicherzustellen, der sich in einer Umgebung mit starker Funkenbildung und Brandgefahr befindet, beispielsweise auf einer Bohranlagenetage.

Claims

Ein Verfahren zum Übertragen von Wärme, das folgende Schritte aufweist: Erwärmen eines oder mehrerer Verdampfertanks (1), die mit zumindest zwei verschiedenen Fluiden gefüllt sind, durch eine Wärmeenergiequelle, wobei ein erstes Fluid in einer gasförmigen Phase ist und ein zweites Fluid in einer flüssigen Phase ist; Bewirken eines Druckanstiegs in dem Verdampfertank und eines Übergangs der flüssigen Phase des zweiten Fluids in eine gasförmige Phase des zweiten Fluids, die mit der gasförmigen Phase des ersten Fluids gemischt ist, durch das Erwärmen; Bereitstellen, unter dem angestiegenen Druck in dem Verdampfertank, eines Flusses des Gemischs der gasförmigen Phasen des ersten und zweiten Fluids über eine oder mehrere Dampfleitungen (2) in einen oder mehrere Kondensatoren (3), wo die gasförmige Phase des zweiten Fluids unter Abgabe von Kondensationswärme an einen Wärmeenergieempfänger und Bildung einer flüssigen Phase des zweiten Fluids kondensiert wird; Bereitstellen, unter dem angestiegenen Druck in dem Verdampfertank, eines Flusses der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids, die mit einer gasförmigen Phase des ersten Fluids gemischt ist, über eine Flüssigkeitsleitung (4) in einen Sammeltank (5), bis ein Druck in dem Verdampfertank (1) einen Druck in dem Sammeltank (5) übersteigt; Reduzieren, sobald das gesamte zweite Fluid in dem Verdampfertank von der flüssigen Phase zu der gasförmigen Phase übergegangen ist, während eine Kondensation der gasförmigen Phase des zweiten Fluids in dem Kondensator fortfährt, des Drucks in dem Verdampfertank auf einen Druckwert, der niedriger als derjenige in dem Sammeltank ist, wodurch ein Fluss der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids und der gasförmigen Phase des ersten Fluids von dem Sammeltank zu dem Verdampfertank durch ein oder mehrere Rückschlagventile, die an einer oder mehreren Rückleitungen (6) angebracht sind, sichergestellt wird, wobei ferner ein Separator (8) an der Rückleitung bereitgestellt ist, um das Gemisch der gasförmigen Phase des ersten Fluidmediums und der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids, das den Sammeltank verlässt, in einen Fluss (10) der gasförmigen Phase des ersten Fluids und einen Fluss (9) der flüssigen Phase des zweiten Fluids zu trennen und um eine Verzögerung zwischen der Ankunftszeit der gasförmigen Phase des ersten Fluids und der Ankunftszeit der flüssigen Phase des zweiten Fluids in dem Verdampfertank bereitzustellen, wobei die gasförmige Phase des ersten Fluids als erste eintrifft und danach die flüssige Phase des zweiten Fluids eintrifft.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das erste Fluid aus der Gruppe ausgewählt ist, die Luft, Stickstoff, Helium, Wasserstoff, Kohlendioxid umfasst.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das zweite Fluid ein Kühlmittel, Alkohole, Aceton, Wasser oder Gemische derselben ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Dampfleitung eine Länge von 0,01 m bis über 1 km hat.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem ein Druck in dem Verdampfer bei Übergang der flüssigen Phase des zweiten Fluids in eine gasförmige Phase einen Druck in dem Sammeltank um 5 bis 10 bar oder mehr übersteigt.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der gesamte hydraulische Widerstand der Dampfleitung, des Kondensators und der Flüssigkeitsleitung größer als der hydraulische Widerstand der Rückleitung ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem ein oder mehrere Rückschlagventile (7') an der Dampfleitung angebracht sind, um einen Rückfluss der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids, die mit der gasförmigen Phase des ersten Fluids gemischt ist, von dem Sammeltank zu dem Verdampfertank zu verhindern.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem ein oder mehrere Rückschlagventile (7") an der Flüssigkeitsleitung angebracht sind, um einen Rückfluss der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids, die mit der gasförmigen Phase des ersten Fluids gemischt ist, von dem Sammeltank zu dem Kondensator zu verhindern.
Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Dampfleitung, der Kondensator und die Flüssigkeitsleitung eine einstückige Rohrleitung bilden.
Eine Vorrichtung zum Übertragen von Wärme, die folgende Eigenschaften aufweist: einen oder mehrere Verdampfertanks (1), die mit zumindest zwei verschiedenen Fluiden gefüllt sind, wobei ein erstes Fluid in einer gasförmigen Phase ist und ein zweites Fluid in einer flüssigen Phase ist; einen oder mehrere Kondensatoren (3), die angepasst sind, die gasförmige Phase des zweiten Fluids unter Abgabe von Kondensationswärme an einen Wärmeenergieempfänger zu kondensieren; einen oder mehrere Sammeltanks (5), die angepasst sind, die kondensierte flüssige Phase des zweiten Fluids und die gasförmige Phase des ersten Fluids zu sammeln; eine oder mehrere Dampfleitungen (2), die einen oder mehrere Verdampfertanks und einen oder mehrere Kondensatoren (3) verbinden und über die Dampfleitung (2) einen Fluss eines Gemischs der gasförmigen Phasen des ersten und zweiten Fluids in den Kondensator (3) bereitstellen, unter einem angestiegenen Druck, der durch Erwärmen des Verdampfertanks (1), bis ein Druck in dem Verdampfertank (1) denjenigen in dem Sammeltank (5) übersteigt, bewirkt wird; eine oder mehrere Flüssigkeitsleitungen (4), die mit einem oder mehreren Kondensatoren (3) verbunden sind und einen Fluss der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids, die mit der gasförmigen Phase des ersten Fluids gemischt ist, in den Sammeltank (5) bereitstellen, bis ein Druck in dem Verdampfertank (1) denjenigen in einem oder mehreren Sammeltanks (5) übersteigt; eine oder mehrere Rückleitungen, die ein oder mehrere Rückschlagventile aufweisen, die an denselben angebracht sind, um den Fluss der Fluids von dem Verdampfertank in den Sammeltank über die Rückleitung zu verhindern, wobei die Rückleitung einen Fluss der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids und der gasförmigen Phase des ersten Fluids von dem Sammeltank in den Verdampfertank bereitstellt, sobald das gesamte zweite Fluid in der flüssigen Phase in dem Verdampfertank in eine gasförmige Phase übergegangen ist, während eine Kondensation der gasförmigen Phase des zweiten Fluids in dem Kondensator fortfährt, und ein Druck in dem Verdampfertank niedriger als derjenige in dem Sammeltank ist, wobei ferner ein Separator (8) an der Rückleitung bereitgestellt ist, um das Gemisch der gasförmigen Phase des ersten Fluids und der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids, das den Sammeltank verlässt, in einen Fluss der gasförmigen Phase des ersten Fluids und einen Fluss der flüssigen Phase des zweiten Fluids zu trennen, und eine Verzögerung zwischen der Ankunftszeit der gasförmigen Phase des ersten Fluids und der Ankunftszeit der flüssigen Phase des zweiten Fluids in dem Verdampfertank bereitzustellen, wobei die gasförmige Phase des ersten Fluids als erste eintrifft und danach die flüssige Phase des zweiten Fluids eintrifft.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der das erste Fluid aus der Gruppe ausgewählt ist, die Luft, Stickstoff, Helium, Wasserstoff, Kohlendioxid umfasst.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der das zweite Fluid ein Kühlmittel, Alkohole, Aceton, Wasser oder Gemische derselben ist.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der die Dampfleitung eine Länge von 0,01 m bis über 1 km hat.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der ein Druck in dem Verdampfer bei Übergang der flüssigen Phase des zweiten Fluids in eine gasförmige Phase um 5 bis 10 bar oder mehr größer als ein Druck in dem Sammeltank ist.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der der gesamte hydraulische Widerstand der Dampfleitung, des Kondensators und der Flüssigkeitsleitung größer als der hydraulische Widerstand der Rückleitung ist.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der ferner ein oder mehrere Rückschlagventile (7') an der Dampfleitung angebracht sind, um einen Rückfluss der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids, die mit der gasförmigen Phase des ersten Fluids gemischt ist, von dem Sammeltank zu dem Verdampfertank über die Flüssigkeitsleitung durch den Kondensator und die Dampfleitung zu verhindern.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 16, bei der ferner ein oder mehrere Rückschlagventile (7'') an der Flüssigkeitsleitung angebracht sind, um einen Rückfluss der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids, die mit einer gasförmigen Phase des ersten Fluids gemischt ist, von dem Sammeltank zu dem Kondensator zu verhindern.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der der Sammeltank (5) relativ zu der Erdoberfläche höher als der Verdampfertank (1) angebracht ist.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der der Sammeltank (5) einen Einlass zum Eintreten des Gemischs der gasförmigen Phase des ersten Fluids und der flüssigen Phase des zweiten Fluids aufweist, wobei der Einlass in dem oberen Teil des Sammeltanks (5) angebracht ist.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der der Sammeltank (5) in dem unteren Teil des Sammeltanks (5) einen Auslass zum Austreten des Gemischs der kondensierten flüssigen Phase des zweiten Fluids und der gasförmigen Phase des ersten Fluids von dem Sammeltank zu dem Verdampfertank aufweist.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der die Dampfleitung, der Kondensator und die Flüssigkeitsleitung eine einstückige Rohrleitung bilden.