Устройство для извлечения и передачи тепловой энергии – полярная труба Фильда

(12) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ(71) Заявитель Закрытое акционерное общество Золотой талер и К(73) Патентообладатель Закрытое акционерное общество Золотой талер и К(57) 1. Устройство для извлечения и передачи тепловой энергии с нижнего гравитационного уровня на верхний гравитационный уровень, включающее вкоаксиально расположенных трубчатых элемента внешний и внутренний, имеющих по два конца и разделенных кольцевым каналом, при этом один конец внешнего трубчатого элемента, находящийся на нижнем гравитационном уровне, заглушен, а внутренний трубчатый элемент выполнен теплоизолированным по всей длине и конец его канала, находящийся у заглушенного конца внешнего трубчатого элемента, сообщается с упомянутым кольцевым каналом, отличающееся тем, что часть длины внешнего трубчатого элемента со стороны, противоположной его заглушенному концу, от верхнего гравитационного уровня установленного устройства к нижнему гравитационному уровню выполнена теплоизолированной, а оставшаяся часть его длины до нижнего гравитационного уровня выполнена теплопроводной. Фиг. 1 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кольцевой канал выполнен из двух различных по площади поперечного сечения участков, при этом площадь поперечного сечения кольцевого канала, совпадающая по длине и расположению с теплопроводной частью внешнего трубчатого элемента больше, чем площадь его 271 поперечного сечения, совпадающая по длине и расположению с теплоизолированной частью внешнего трубчатого элемента. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что в кольцевом канале на длине, соответствующей длине теплоизолированной части внешнего трубчатого элемента, и по всей длине канала внутреннего трубчатого элемента продольно установлены пластинчатые рассекатели потока теплоносителя. Полезная модель относится к области теплотехники и предназначена для извлечения тепловой энергии от нижнего гравитационного уровня с более высоким температурным потенциалом и передачи ее на верхний гравитационный уровень, температурный потенциал которого меньше. Этот процесс предусмотрено осуществлять посредством размещения между гравитационными уровнями теплообменного и теплоотводящего устройства, выполненного в виде усовершенствованной трубы Фильда. Известная труба Фильда представляет собой теплообменное устройство, содержащее два коаксиально расположенных трубчатых элемента, каждый из которых имеет по два конца. Трубчатые элементы разделены кольцевым каналом. Внешний трубчатый элемент заглушен с одного конца, а канал внутреннего трубчатого элемента, находящийся у заглушенного конца внешнего трубчатого элемента, сообщается с упомянутым кольцевым каналом. Устройства типа трубы Фильда, предназначенные для извлечения и передачи тепловой энергии, в частности в системах геотермального теплоснабжения, известны 1. В данном аналоге предложена конструкция, в которой магистрали холодного и горячего теплоносителей компактно объединены в трубу Фильда в соответствии с типоразмером скважины. Наиболее близким аналогом предлагаемого нами технического решения является устройство для извлечения и передачи геотермальной тепловой энергии с нижнего гравитационного уровня на верхний с помощью трубы Фильда, содержащее два коаксиально расположенных трубчатых элемента, каждый из которых имеет по два конца. Трубчатые элементы разделены кольцевым каналом. Внешний трубчатый элемент выполнен из теплопроводного материала, предпочтительно металла, а его конец, расположенный на нижнем гравитационном уровне, заглушен. Внутренний трубчатый элемент (предназначенный в данном аналоге для транспортирования нагретого теплоносителя с нижнего на верхний гравитационный уровень) теплоизолирован и конец его канала, находящийся у заглушенного конца внешнего трубчатого элемента, сообщается с упомянутым кольцевым каналом. Оговорено также, что поперечное сечение кольцевого канала между внутренним и наружным трубчатыми элементами равно поперечному сечению внутреннего трубчатого элемента 2 (прототип). В связи с тем, что данное техническое решение определяет приоритет транспортировки холодного теплоносителя по внешнему трубчатому элементу, а горячего - по внутреннему трубчатому элементу, возникает необходимость принудительного перемещения теплоносителя, потому что холодный теплоноситель, нагреваясь в процессе движения к нижнему гравитационному уровню, расширяется, его плотность уменьшается, создавая противодействующую движению силу, которая тем больше, чем больше разница температур холодного и уже нагретого теплоносителей. То есть, чем мощнее глубинный геотермальный источник, тем больше в этом случае требуется затратить энергии для извлечения тепла. Задачей данной полезной модели является исключение энергетических затрат на механическое перемещение теплоносителя в каналах устройства, предназначенного для извлечения и передачи тепловой энергии с нижнего гравитационного уровня на верхний, за счет естественной конвекции теплоносителя, путем обеспечения стабильной разницы температур и, значит, удельных плотностей холодного (нисходящего) и нагретого (восходящего) потоков теплоносителя. Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство для извлечения и передачи тепловой энергии с нижнего гравитационного уровня на верхний включает в себя следующую совокупность взаимосвязанных существенных признаков два коаксиально расположенных трубчатых элемента - внешний и внутренний, имеющих по два конца и разделенных кольцевым каналом один конец внешнего трубчатого элемента со стороны нижнего гравитационного уровня заглушен внутренний трубчатый элемент теплоизолирован по всей его длине 271 канал внутреннего трубчатого элемента сообщается с упомянутым кольцевым каналом на нижнем гравитационном уровне в соответствии с данной полезной моделью часть длины внешнего трубчатого элемента со стороны, противоположной его заглушенному концу - от верхнего гравитационного уровня к нижнему - выполнена теплоизолированной, а оставшаяся часть его длины, расположенная в зоне интенсивного теплообмена, выполнена теплопроводной, при этом теплоизолированный внутренний трубчатый элемент (в отличие от его функции в ближайшем аналоге) предназначен для транспортировки только нисходящего, холодного потока теплоносителя и, следовательно, внешний трубчатый элемент предназначен для транспортировки восходящего (нагретого) потока теплоносителя. То есть предложенная нами труба Фильда является строго полярной относительно температуры и плотности теплоносителя в каналах внешнего к внутреннего трубчатых элементов. Такое техническое решение обладает новизной и обеспечивает нисходящему теплоизолированному холодному потоку теплоносителя фиксированную, в соответствии с начальной температурой, плотность до момента его перехода в кольцевой канал, где теплоноситель, контактируя со стенками теплопроводной части внешнего трубчатого элемента, нагреваясь, уменьшает свою плотность и движется к верхнему гравитационному уровню, сохраняя в процессе транспортировки по теплоизолированному участку тепловую энергия. В усовершенствованной разновидности предлагаемого устройства кольцевой канал составлен из двух различных по площади поперечного сечения последовательно соединенных участков, при этом площадь поперечного сечения кольцевого канала, совпадающая по длине и расположению с теплопроводной частью внешнего трубчатого элемента, больше, чем площадь его поперечного сечения, совпадающая по длине и расположению с теплоизолированной частью внешнего трубчатого элемента. Эта разновидность устройства позволяет увеличить объем кольцевого канала в области теплопроводной части внешнего трубчатого элемента, замедлить в этой зоне скорость движения теплоносители и, следовательно, оптимизировать процесс его нагрева до максимально возможной температуры. В преимущественной форме выполнения устройства, в кольцевом канале, на длине, соответствующей длине теплоизолированной части внешнего трубчатого элемента, и по всей длине канала внутреннего трубчатого элемента установлены пластинчатые рассекатели потока теплоносителя. Рассекатели потока предназначены для исключения турбулентного характера движения теплоносителя,что уменьшает скорость теплообменных процессов в местах установки рассекателей. С другой стороны, отсутствие рассекателей потока в объеме кольцевого канала, образованного теплопроводным участком внешнего трубчатого элемента и внутренним трубчатым элементом, предполагает турбулентный характер движения теплоносителя в этой области, что обеспечивает его гарантированный нагрев до максимально возможной температуры. Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 схематически изображен общий вид устройства (продольный разрез), на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1 на фиг. 3 - сечение В-В на фиг. 1. Устройство размещается между гравитационными уровнями, при этом нижний гравитационный уровень имеет более высокую температуру, чем верхний. Это может быть любой источник тепла, находящийся на глубине или на поверхности Земли. Источник тепловой энергии может быть как искусственным, так и естественным, например геотермальным. Если это геотермальная скважина, то ее температура на нижнем гравитационном уровне должна превышать температуру холодного теплоносителя, поступающего с поверхности Земли. При этом продольная ось устройства может быть не только прямолинейной и вертикальной, но и криволинейной и наклонной, т.е. расположенный в соответствии с конфигурацией скважины, шахты или иного источника тепла. Устройство для извлечения и передачи тепловой энергии с нижнего гравитационного уровня на верхний включает в себя два коаксиально расположенных трубчатых элемента внешний 1 и внутренний 2. Каждый из этих элементов имеет по два конца. Один конец внешнего трубчатого элемента 1, предназначенный для расположения у нижнего гравитационного уровня, заглушен, например колпаком 3. Особенность внутреннего трубчатого элемента - сплошная теплоизоляция 4 его поверхности, что условно обозначено на чертежах штрих пунктирной линией. Конец канала 5 трубчатого элемента 2 у заглушенного конца трубчатого элемента 1 (в зоне колпака 3) сообщается с кольцевым каналом, образованным в результате коаксиального расположения трубчатых элементов 1 и 2. Общая длина трубчатых элементов 1, 2 условно разделена на две части (зоны). Часть, предназначенная для расположения в теплопередающей среде, расположенной у нижнего гравитационного уровня, обозначена на чертеже фиг. 1 буквой С. Часть длины трубчатых элементов 1 и 2, предназначенная для расположения в окружающей среде, способной отобрать тепло от нагретого в зоне С теплоносителя (т.е. часть, примыкающая к верхнему гравитационному уровню), обозначена буквой . Часть С длины трубчатого элемента 1 выполнена теплопроводной, а частьдлины этого трубчатого элемента выполнена теплоизолированной. Теплоизоляция 6 частитрубчатого элемента 1 (так же, как и теплоизоляция трубчатого элемента 2) обозначена штрихпунктирной линией. 3 271 Существенной особенностью данного устройства является то, что кольцевой канал, образованный в результате коаксиального расположения трубчатых элементов 1 и 2, состоит из двух различных по площади поперечного сечения участков 7 и 8, совпадающих по длине с частями длины трубчатых элементов, обозначенных соответственно буквами С и . При этом площадь поперечного сечения участка 7 (зона С) больше площади поперечного сечения участка 8, расположенного в зоне . Это обеспечивается, например,за счет уменьшения площади поперечного сечения внутреннего трубчатого элемента 2 в части С по сравнению с аналогичной площадью его в части , как это изображено на чертежах (фиг. 1,2,3), либо за счет увеличенной площади поперечного сечения элемента 1 на длине части С, либо за счет обоих перечисленных факторов (на чертежах условно не показано). В кольцевом канале 8 внешнего трубчатого элемента 1 установлены пластинчатые рассекатели 9 потока нагретого теплоносителя (фиг. 2). В канале 5 внутреннего трубчатого элемента 2 также установлены пластинчатые рассекатели 10 и 11 потока теплоносителя (фиг. 2 и фиг. 3). Функция рассекателей - обеспечение ламинарного течения потока теплоносителя на всей длине канала 5 и на участке 8 кольцевого канала. Работает устройство следующим образом. К примеру, полярную трубу Фильда устанавливают заглушенным концом в скважину глубиной 3 километра. Теплопроводная зона С внешнего трубчатого элемента 1 может быть длиной до 500 метров. Средняя температура на глубине 3 км около 90 С, а на глубине 2,5 км, например, 75 С. После установки газовый теплоноситель (например, воздух) в кольцевом канале 7 нагревается и движется вверх, создавая на нижнем гравитационном уровне разрежение. Холодный (теплоизолированный во внутреннем трубчатом элементе 2) газовый теплоноситель движется вниз, образуя нисходящий поток. Рассекатели 9, 10, 11 и низкая шероховатость внутренних стенок в канале 5 и на участке 8 кольцевого канала обеспечивают ламинарное движение потоков, то есть минимальные энергетические потери. В кольцевом канале 7 движение теплоносителя замедляется, но, тем не менее, приобретает турбулентный характер из-за отсутствия рассекателей потока и повышенной шероховатости внутренней поверхности стенок кольцевого канала 7. Это обеспечивает интенсивный теплообмен и устойчивую разницу давлений нисходящего и восходящего потоков теплоносителя для его конвективного движения, обозначенного стрелками на фиг. 1. При общем диаметре полярной трубы Фильда,например 320 мм, объем теплоносителя, который проходит через нее за одну секунду, может достигать 11,5 м 3. Разница давлений за счет нагрева теплоносителя оценивается в пределах (0,060,07)105 Па. Тепловая мощность полярной трубы Фильда около 100 кВт. Средняя скорость газового теплоносителя может достигать 70100 м/с. Это обусловливает возможность преобразования его кинетической энергии в энергию электрическую. Сборка, монтаж и эксплуатация предлагаемого устройства не отличается от принятых в аналогах. Использование труб из современных некоррозирующих материалов обеспечивает длительный срок эксплуатации устройства. С помощью предложенного устройства можно обеспечить, например, обогрев фруктоовощехранилищ,теплиц, животноводческих и птицеводческих помещений, складов, промышленных объектов и жилых домов,а также использовать извлеченную энергию для ее превращения в другое виды энергии. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.