RU2355913C1

RU2355913C1 - Heat tubing pump

Info

Publication number: RU2355913C1
Application number: RU2008104522/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Ежов (RU); Владимир Сергеевич Ежов
Priority date: 2008-02-06
Filing date: 2008-02-06
Publication date: 2009-05-20

Abstract

FIELD: engineering industry.

SUBSTANCE: invention refers to engineering industry, and can be used for utilising waste heat energy supply and low-grade heat energy of natural sources, and namely for transporting liquids. Heat tubing pump consists of a vertical housing with inlet and outlet valves. In the housing with working and pump chambers there installed is a bellow with a lower movable wall, and evaporator and condenser with the walls made of wicks, which are located in rotochamber and partially filled with highly boiling liquid, steam-proof partition and condensate storage reservoir. Working chamber is made in the form of a vertical heat tube, and wick of evaporation and condensation sections is covered with a sleeve installed with a clearance relative to upper and lower end walls of heat tube body. Partition is equipped with a central inlet hole, and a stock with a valve is attached to the centre of end wall inside condensation chamber. Some part of external housing surface forming the condensation chamber is covered with bellow from outside, and cavity between bellow and housing comprises the cooling chamber that is interconnected with steam space of condensation chamber through connections. Pump chamber is located in the cavity between bellow and vertical housing provided with conical bottom, along inner perimeter of which there arranged is a ring-shaped shoulder serving as a valve seat. At conical bottom there made is suction hole wherein there placed is a suction valve and a stop.

EFFECT: improving operating reliability and efficiency of pump with heat drive.

3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано для утилизации вторичных тепловых энергоресурсов и низкопотенциальной тепловой энергии природных источников, а именно для перемещения жидкостей.The present invention relates to power engineering and can be used for the disposal of secondary thermal energy and low potential thermal energy of natural sources, namely, to move liquids.

Известен насос с тепловым приводом, содержащий сильфонную рабочую камеру, приводную сильфонную камеру, заполненную легкокипящей жидкостью, закрепленных одним концом на корпусе, а другим к подвижной стенке, всасывающий и нагнетательный патрубки и клапаны, змеевиковые теплообменники для охлаждения легкокипящей жидкости и балластные грузы (SU 1665075 A, 23.07.1991).A heat-driven pump is known, comprising a bellows-type working chamber, a bellows-filled driving chamber filled with low-boiling liquid, fixed at one end to the housing and the other to a moving wall, suction and discharge pipes and valves, coil heat exchangers for cooling low-boiling liquid and ballast weights (SU 1665075 A, 07.23.1991).

К основным недостаткам известного насоса относятся низкая степень утилизации тепла источника, обусловленная затратой значительного количества утилизированной энергии на собственные нужды, а именно на преодоление гидравлических сопротивлений в змеевиковых теплообменниках и на перемещение балластных грузов.The main disadvantages of the known pump include the low degree of heat recovery of the source, due to the expenditure of a significant amount of utilized energy for own needs, namely, overcoming the hydraulic resistance in the coil heat exchangers and moving ballast weights.

Более близким к предлагаемому изобретению является насос с тепловым приводом, содержащий вертикальный корпус с впускными и выпускными клапанами, установленный в корпусе с образованием рабочей и насосной камер сильфон с подвижной нижней стенкой и размещенные в рабочей камере, частично заполненной легкокипящей жидкостью, испаритель и конденсатор со стенками из капиллярно-пористого материала (фитиля), соединенными между собой при помощи паронепроницаемой перегородки с образованием камеры (резервуара) для сбора конденсата (SU 1229422 А, 07.05.1986)Closer to the proposed invention is a heat-driven pump, comprising a vertical casing with inlet and outlet valves, installed in the casing to form a working and pumping chambers, a bellows with a movable bottom wall and placed in a working chamber partially filled with low-boiling liquid, an evaporator and a condenser with walls from a capillary-porous material (wick), interconnected using a vapor barrier to form a chamber (reservoir) for condensate collection (SU 1229422 A, 05/07/1986 )

Недостатками известного насоса с тепловым приводом являются низкая скорость испарения и конденсации в теплообменных поверхностях испарителя и конденсатора, полностью покрытых капиллярно-пористым материалом (фитилем), периодичность подачи рабочей жидкости на испарение, обусловленная периодическим контактом фитиля испарителя и конденсатора, низкая скорость движения рабочей жидкости в фитиле, обусловленная заполнением паром его пор и соответствующим уменьшением количества транспортируемой рабочей жидкости, что снижает его надежность и эффективность.The disadvantages of the known heat-driven pump are the low rate of evaporation and condensation in the heat exchange surfaces of the evaporator and condenser, completely covered with capillary-porous material (wick), the frequency of supply of the working fluid to the evaporation due to the periodic contact of the wick of the evaporator and condenser, the low speed of the working fluid in wick due to steam filling its pores and a corresponding decrease in the amount of transported working fluid, which reduces its reliability s and efficiency.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности и эффективности теплотрубного насоса.The technical result, the solution of which the invention is directed, is to increase the reliability and efficiency of the heat pipe pump.

Технический результат достигается тем, что теплотрубный насос (ТТН), содержащий вертикальный корпус с впускными и выпускными клапанами, установленный в этом корпусе с образованием рабочей и насосной камер сильфон с подвижной нижней стенкой и размещенные в рабочей камере, частично заполненной легкокипящей жидкостью, испаритель и конденсатор со стенками из фитиля, паронепроницаемую перегородку, резервуар для сбора конденсата, причем рабочая камера выполнена в виде вертикальной тепловой трубы, в которой сверху вниз расположены: испарительная секция, верхняя торцевая стенка которой покрыта изнутри полосами пористого материала, а боковые стенки покрыты изнутри сплошным слоем фитиля; отделенная от нее перегородкой конденсационная секция, также изнутри покрытая сплошным слоем фитиля, являющегося продолжением фитиля испарительной камеры, причем фитиль в обеих камерах, в свою очередь, покрыт втулкой, установленной с некоторым зазором относительно верхней и нижней торцевых стенок корпуса тепловой трубы, перегородка снабжена центральным впускным отверстием, внутри конденсационной секции к центру торцевой стенки прикреплен шток с клапаном, часть наружной поверхности корпуса, образующая конденсационную секцию, покрыта снаружи сильфоном, жестко прикрепленным к корпусу своей верхней кромкой, края нижней торцевой стенки соединены с кромкой внутреннего борта кольцевого резервуара, кромка внешнего борта которого, в свою очередь, жестко соединена с нижней кромкой сильфона, а внешний борт покрыт упругим кольцевым нагнетательным клапаном, полость между сильфоном и корпусом образует камеру охлаждения, которая сообщается с паровым пространством конденсационной секции через патрубки, проходящие через отверстия во втулке, фитиле и корпусе трубы, насосная камера расположена в полости между сильфоном и вертикальным корпусом, снабженным коническим днищем, по внутреннему периметру которого устроен кольцевой буртик, служащий седловиной для клапана, а в коническом днище устроено всасывающее отверстие, в котором помещен всасывающий клапан и ограничитель.The technical result is achieved in that a heat pipe pump (TTN) containing a vertical housing with inlet and outlet valves installed in this housing with the formation of the working and pumping chambers is a bellows with a movable bottom wall and placed in a working chamber partially filled with low-boiling liquid, an evaporator and a condenser with wick walls, a vapor barrier, a condensate tank, and the working chamber is made in the form of a vertical heat pipe, in which are located from top to bottom: evaporate te a section, the upper end wall of which is coated on the inside strips of the porous material, and the side walls are covered with a continuous layer on the inside of the wick; the condensation section separated from it by a partition, also internally covered with a continuous layer of wick, which is a continuation of the wick of the evaporation chamber, and the wick in both chambers, in turn, is covered with a sleeve installed with some clearance relative to the upper and lower end walls of the heat pipe body, the partition is provided with a central an inlet, a rod with a valve is attached to the center of the end wall inside the condensation section, a part of the outer surface of the housing forming the condensation section is covered outside with a bellows rigidly attached to the housing with its upper edge, the edges of the lower end wall are connected to the edge of the inner side of the annular tank, the edge of the outer side of which, in turn, is rigidly connected to the lower edge of the bellows, and the outer side is covered with an elastic annular discharge valve, the cavity between the bellows and the housing forms a cooling chamber, which communicates with the vapor space of the condensation section through nozzles passing through the holes in the sleeve, wick and pipe body, pump chamber The ra is located in the cavity between the bellows and the vertical body equipped with a conical bottom, along the inner perimeter of which there is an annular bead serving as a saddle for the valve, and a suction hole in which the suction valve and restrictor are placed in the conical bottom.

В основе работы предлагаемого ТТН лежит высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, которые делятся на три участка: зона испарения (подвода теплоты), адиабатная зона (переноса теплоты) и зона конденсации (отвода теплоты), покрытые изнутри фитилем и частично заполненные рабочей жидкостью - переносчиком теплоты, в качестве которой используются вода, спирты, хладоны, жидкие металлы т.д. (В.В.Харитонов и др. Вторичные теплоэнергресурсы и охрана окружающей среды. Минск, Высшая школа, 1988, с. 106).The proposed TTN is based on the high efficiency of heat transfer in heat pipes, which are divided into three sections: the evaporation zone (heat supply), the adiabatic zone (heat transfer) and the condensation zone (heat removal), covered from the inside with a wick and partially filled with working fluid - heat carrier, which is used as water, alcohols, freons, liquid metals, etc. (V.V. Kharitonov et al. Secondary heat and energy resources and environmental protection. Minsk, Higher School, 1988, p. 106).

На фиг.1 представлен общий вид, на фиг.2, 3 - поперечный разрез и узел А предлагаемого ТТН.Figure 1 presents a General view, figure 2, 3 is a transverse section and a node And the proposed TTN.

Теплотрубный насос состоит из рабочей камеры РК, в которую входят: корпус тепловой трубы 1, покрытый изнутри фитилем 2, покрытым, в свою очередь, втулкой 3, установленной с некоторым зазором относительно верхней 4 и нижней 5 торцевых стенок корпуса 1, внутри которого по ходу движения пара расположены: испарительная секция 6, внутренняя поверхность торцевой стенки 4 которой покрыта полосами капиллярного материала 7, соединенными с фитилем 2; перегородка 8 с центральным впускным отверстием 9; конденсационная секция 10, внутри которой к центру нижней торцевой стенки 5 прикреплен шток 11 с клапаном 12 для закрытия и открытия впускного отверстия 9, причем часть наружной поверхности корпуса 1, образующая конденсационную секцию 10, покрыта снаружи сильфоном 13, жестко прикрепленным к нему своей верхней кромкой, края нижней торцевой стенки 5 соединены с кромкой внутреннего борта кольцевого резервуара 14, кромка внешнего борта которого, в свою очередь, жестко соединена с нижней кромкой сильфона 13, а внешний борт покрыт упругим кольцевым нагнетательным клапаном 15, полость между сильфоном 13 и корпусом 1 образует камеру охлаждения ОК, которая сообщается с паровым пространством конденсационной секции 10 через патрубки 16, проходящие через отверстия во втулке 3, фитиле 2 и корпусе 1, и насосной камеры РК, которая образована полостью между нижней частью наружной поверхности корпуса тепловой трубы 1, относящейся к конденсационной секции 10, наружной поверхностью сильфона 13, кольцевого резервуара 14 и нижнего торца 5 и вертикальным цилиндрическим корпусом 17 с коническим днищем, по внутреннему периметру которого устроен кольцевой буртик 18, служащий седловиной для клапана 15, снабженным нагнетательным патрубком 19 и всасывающим отверстием 20, в котором помещен всасывающий клапан 21 и ограничитель 22.The heat pipe pump consists of a working chamber of the Republic of Kazakhstan, which includes: the heat pipe body 1, covered from the inside with a wick 2, covered, in turn, with a sleeve 3 installed with some clearance relative to the upper 4 and lower 5 end walls of the housing 1, inside of which along steam movements are located: the evaporation section 6, the inner surface of the end wall 4 of which is covered with strips of capillary material 7 connected to the wick 2; a partition 8 with a central inlet 9; a condensation section 10, inside of which a rod 11 with a valve 12 is attached to the center of the lower end wall 5 to close and open the inlet 9, and a part of the outer surface of the housing 1 forming the condensation section 10 is coated on the outside with a bellows 13 rigidly attached to it by its upper edge , the edges of the lower end wall 5 are connected to the edge of the inner side of the annular tank 14, the edge of the outer side of which, in turn, is rigidly connected to the lower edge of the bellows 13, and the outer side is covered with an elastic annular pump valve 15, the cavity between the bellows 13 and the housing 1 forms a cooling chamber OK, which communicates with the vapor space of the condensation section 10 through nozzles 16 passing through the holes in the sleeve 3, the wick 2 and the housing 1, and the pump chamber RK, which is formed by a cavity between the lower part of the outer surface of the body of the heat pipe 1 related to the condensation section 10, the outer surface of the bellows 13, the annular tank 14 and the lower end 5 and the vertical cylindrical body 17 with a conical bottom, on the inside it is arranged that the perimeter of the annular bead 18 that serves for the saddle of the valve 15, provided with a discharge pipe 19 and the suction opening 20 in which is placed a suction valve 21 and limiter 22.

Предлагаемый ТТН работает следующим образом.The proposed TTN works as follows.

Предварительно перед началом работы из секций 6 и 10 ТТН удаляют воздух и закачивают рабочую жидкость, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости на фиг.1 не показаны) в количестве, достаточном для заполнения объема пор фитиля 2 и кольцевого резервуара рабочей жидкости 14, после чего корпус 1 ТТН устанавливают вертикально таким образом, чтобы испарительная секция контактировала с горячей средой, конденсационная секция 10 была погружена в перекачиваемую жидкость, выполняющую одновременно роль холодной среды, а кольцевой резервуар рабочей жидкости 14 располагался горизонтально. При этом в холодном состоянии клапан 12 плотно закрывает впускное отверстие 9. В результате нагрева торца 4 происходит испарение рабочей жидкости в канавках между полосами пористого материала 7, который предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности торца и таким образом интенсифицирует процесс испарения, образуется пар, создается давление в испарительной секции, которое, воздействуя на поверхность клапана 12, жестко связанного через шток 11 и торцевую стенку 5 с упругим сильфоном 13, перемещает его вниз, в результате чего открывается впускное отверстие 9 и полученный пар поступает в конденсационную секцию 10, а оттуда через патрубки 17 в полость между корпусом 1 и сильфоном 13, давление в которых уравнивается с давлением в испарительной секции, конденсируется там за счет контакта наружной поверхности торцевой стенки 5 и сильфона 13 с перекачиваемой жидкостью (холодной средой), в результате чего давление в камере 10 падает, сильфон 13 сжимается и клапан 12 перекрывает впускное отверстие 9, после чего в испарительной секции 6 снова начинает повышаться давление. В то же время образовавшийся конденсат за счет сил тяжести стекает в кольцевой резервуар 14, откуда всасывается порами фитиля 2 и под воздействием капиллярных сил адиабатно рабочая жидкость поднимается к верхней торцевой стенке 4, где поглощается полосами пористого материала 7, испаряется на поверхность канавок между ними, и цикл повторяется. При этом глубина погружения фитиля 2 в конденсат в кольцевой камере 14 должна обеспечивать бесперебойную подачу рабочей жидкости в испарительную камеру 6 в интервале длины хода сильфона 13, а ширина зазора между торцевыми стенками 4, 5 и кромками втулки 3, максимальный расход рабочей жидкости, поступающей в испарительную камеру 6, и конденсата, отводимого из камеры 10.Prior to starting work, air is removed from sections 6 and 10 of the CTN and the working fluid is pumped, which is selected depending on the temperature potential of cold and hot media (the nozzles for removing air and supplying working fluid are not shown in FIG. 1) in an amount sufficient to fill the pore volume of the wick 2 and the annular reservoir of the working fluid 14, after which the housing 1 TTN set vertically so that the evaporation section is in contact with the hot medium, the condensation section 10 was immersed in the pumping fluid, which simultaneously serves as a cold medium, and the annular reservoir of the working fluid 14 was located horizontally. In this case, in the cold state, the valve 12 tightly closes the inlet 9. As a result of the heating of the end 4, the working fluid evaporates in the grooves between the strips of the porous material 7, which prevents the formation of a vapor film on the inner surface of the end and thus intensifies the evaporation process, steam is generated, steam is created, pressure in the evaporation section, which, acting on the surface of the valve 12, rigidly connected through the rod 11 and the end wall 5 with an elastic bellows 13, moves it down, as a result of which the inlet 9 opens and the resulting vapor enters the condensation section 10, and from there through the nozzles 17 into the cavity between the housing 1 and the bellows 13, the pressure of which is equalized with the pressure in the evaporation section, condenses there by contacting the outer surface of the end wall 5 and the bellows 13 with the pumped liquid (cold medium), as a result of which the pressure in the chamber 10 drops, the bellows 13 is compressed and the valve 12 closes the inlet 9, after which the pressure begins to increase again in the evaporation section 6. At the same time, the condensate formed due to gravity flows into the annular tank 14, from where it is absorbed by the pores of the wick 2 and, under the influence of capillary forces, the adiabatically working fluid rises to the upper end wall 4, where it is absorbed by strips of porous material 7, evaporates onto the surface of the grooves between them, and the cycle repeats. At the same time, the immersion depth of the wick 2 in the condensate in the annular chamber 14 should ensure uninterrupted supply of working fluid to the evaporation chamber 6 in the range of the bellows 13 stroke length, and the gap width between the end walls 4, 5 and the edges of the sleeve 3, the maximum flow rate of the working fluid entering an evaporation chamber 6, and condensate discharged from the chamber 10.

Параллельно перемещению сильфона 13 вверх кольцевой нагнетательный клапан 15 прижимается к кольцевому буртику 18, в насосной камере РК создается разрежение, открывается всасывающий клапан 21 и жидкость из водоема поступает в насосную камеру РК, а при движении сильфона 13 вниз (при открытии клапана 12) закрывается всасывающий клапан 21, в камере НК поднимается давление, открывается клапан 15, жидкость поступает через патрубок 19 потребителю, попутно охлаждая наружную поверхность сильфона 13 в камере охлаждения ОК, после чего насосный цикл в камере НК повторяется в соответствии с рабочим циклом в камере РК.Parallel to the movement of the bellows 13 upward, the annular discharge valve 15 is pressed against the annular collar 18, a vacuum is created in the pump chamber of the Republic of Kazakhstan, the suction valve 21 is opened and the liquid flows from the reservoir into the pump chamber of the Republic of Kazakhstan, and when the bellows 13 moves down (when the valve 12 is opened), the suction valve 21, pressure rises in the chamber of the oil chamber, valve 15 opens, liquid enters through the pipe 19 to the consumer, simultaneously cooling the outer surface of the bellows 13 in the cooling chamber By repeated according to the working cycle in RK chamber.

Таким образом, предлагаемый ТТН обеспечивает надежное и эффективное перемещение жидкостей за счет утилизации вторичных тепловых энергоресурсов различного потенциала (энергии сбросных вод, отходящих газов и т.д.) и тепловых ресурсов природных источников (энергии солнца, воды и т.д.) с использованием высокой эффективности теплопередачи тепловой трубы.Thus, the proposed TTN provides reliable and efficient movement of liquids due to the utilization of secondary thermal energy resources of various potentials (energy from waste water, exhaust gases, etc.) and heat resources of natural sources (energy from the sun, water, etc.) using high heat transfer heat pipe.

Claims

A heat pipe pump containing a vertical casing with inlet and outlet valves installed in this casing with the formation of the working and pumping chambers is a bellows with a movable bottom wall and placed in a working chamber partially filled with low boiling liquid, an evaporator and a condenser with wick walls, a vapor barrier, a tank for condensate collection, characterized in that the working chamber is made in the form of a vertical heat pipe, in which are located from top to bottom: evaporation section, upper end wall which has the inside covered with strips of porous material, and the side walls are covered inside with a continuous layer of wick; the condensation section separated from it by a partition, also internally covered with a continuous layer of wick, which is a continuation of the wick of the evaporation section, and the wick in both sections, in turn, is covered with a sleeve installed with some clearance relative to the upper and lower end walls of the heat pipe body, the partition is provided with a central an inlet, a rod with a valve is attached to the center of the end wall inside the condensation section, a part of the outer surface of the housing forming the condensation section is covered outside with a bellows rigidly attached to the housing with its upper edge, the edges of the lower end wall are connected to the edge of the inner side of the annular tank, the edge of the outer side of which, in turn, is rigidly connected to the lower edge of the bellows, and the outer side is covered with an elastic annular discharge valve, the cavity between the bellows and the housing forms a cooling chamber, which communicates with the vapor space of the condensation section through nozzles passing through the holes in the sleeve, wick and pipe body, pump chamber The ra is located in the cavity between the bellows and the vertical body equipped with a conical bottom, along the inner perimeter of which there is an annular bead serving as a saddle for the valve, and a suction hole in which the suction valve and restrictor are placed in the conical bottom.