Принцип гравитационно-тепловых труб не нов. Его использовали для укрепления грунта в условиях неустойчивой вечной мерзлоты. Сегодня, в частности, в НПО им. Лавочкина разрабатывают проекты горнолыжных трасс, охлаждаемых тепловыми трубами (см. рис. 1).
Рис. 1. Горнолыжная трасса, охлаждаемая тепловыми трубами
Напомним, что тепловая гравитационная труба - это запаянная герметическая труба, расположенная вертикально и частично заполненная жидким фреоном.
В случае если существует разница температур между верхним и нижним концом трубы, то такая труба начинает работать как очень эффективный тепловой диод. Для определенности - нижний конец трубы теплее. Испаряющийся внизу фреон конденсируется в более холодной верхней части, а жидкий фреон, под действием силы тяжести, опускается вниз.
Теплопроводность такой трубки очень велика, так как перенос тепла происходит за счет переноса массы и фазовых переходов, и тем выше, чем выше градиент давления насыщенных паров от температуры в заданном диапазоне температур. Если разность температур обратная, то теплопроводность такой трубы падает до обычных величин, т.е. становится мала.
Используя данный принцип легко создать дешевые рекуператоры тепла для решения проблем вентиляции жилых помещений с минимальными потерями тепла (или холода в знойное время года). На рис. 2 представлена принципиальная схема такого рекуператора.
Рис. 2. Принципиальная схема рекуператора
В рекуператоре два вентиляционных канала расположены один над другим, причем в них осуществляется противоток: более горячий воздух поступает снизу, а холодный - сверху. В каналы помещены N оребренных тепловых гравитационных трубок. Организованы одинаковые потоки притока и вытяжки. На рисунке красным показана температура тепловых трубок (учитывая высокую их теплопроводность с большой степенью достоверности можно считать теплопроводность одинаковой и по всей высоте трубок).
Второе допущение во всем диапазоне исследуемых температур (от -30 °С до +25 °С): процессы теплопередачи между потокам воздуха и оребрением одинаковы, таким образом,
tn + Δt = Tn = T(n+1)- Δt,
где Δt - разница, возникающая из-за неидеальности теплообмена между каждым элементом и воздушным потоком.
Из законов сохранения и одинаковых теплоемкостей потоков получим еще несколько утверждений: А) Tn - T(n+1)=const; Б) Т1 - Т(N+1)= t1-t(N+1) и, как следствие, Тn=(t(n+1)+Tn)/2.
Сделав последнее допущение, что (Тгор. - Тхол.)/N >> Δt ( где Тгор. и Тхол. - температуры входящего воздуха со стороны помещения и улицы, соответственно) получим коэффициент рекуперации для идеального рекуператора собранного по данной схеме.
Коэффициент рекуперации (в условиях первоначальных предположений равенства нагреваемого и охлаждаемого потоков) получим по формуле:
Т1-T(N+1)/T1-t(N+1)= N/N+1,
или для одноступенчатого теплообменника - 0,5 (50%); для 2-х ступенчатого - 2/3 (66%), для 3-х - 3/4 (75%) и 4-х - 0,8 (80%).
В реальности, из-за конечности Δt, величина рекуперации будет ниже.
Экспериментальные данные.
Для проверки сделанных умозаключений был собран двухступенчатый рекуператор.
В качестве воздуховодов были использованы стандартные пластиковые воздуховоды вентиляции 50х100 (на фото 1 показаны каналы рекуператора). Для подачи воздуха - два вентилятора, паспортная производительность которых составила 105 м3/час. В качестве теплообменных устройств были использованы стандартные канальные теплообменники фреон-воздух (размеры 250х250). Теплообменники были закольцованы и наполнены наполовину фреоном. Температура измерялась на входе и выходе каждого из каналов.
|
|
|
Фото 1. Каналы рекуператора (вид с обеих сторон)
|
Получен следующий результат при уличной температуре -5 °С и температуре в помещении +19,5 °С:
на улицу выбрасывался воздух с температурой +4,7 °С, что соответствует коэффициенту рекуперации 0,6 и, что на 10% хуже, чем идеальная величина для двух модульных систем (66%).
Таким образом, работоспособность таких систем доказана. Остался вопрос только о конкретной конструкторской разработке рекуператора, размещение которого возможно, например, в подоконнике.
"Теплая" форточка.
Однако если забыть о рекуперации - устройства на этом принципе уже могут быть реализованы в виде "теплой форточки".
Массовое замена старых окон на стеклопакеты сделало весьма актуальным вопрос вентиляции старых домов, где есть вытяжка, а приток осуществлялся по так называемому "щелевому" принципу (см. рис. 3а и 3б).
В этом случае предлагается осуществлять приток через искусственную вертикальную щель сбоку от окна, в которую помещена оребренная тепловая трубка, проходящая через подоконник и загнутая почти горизонтально над радиатором центрального отопления. Размер щели, а, соответственно, и количество поступающего воздуха можно регулировать заранее предусмотренной дверкой-шторкой. Поступающий, таким образом, воздух в помещение будет подогрет и не причинит никакого дискомфорта.
|
|
|
Рис. 3а. Окно: фасад |
Рис. 3б. Окно: внешний вид
|
