Фотонная теплосеть
Изобретение относится к отопительным тепловым сетям. Технический результат: повышение энергетической эффективности, исключение проблемы «размораживания», времени и затрат на прокладку, профилактику и обслуживание, значительно уменьшается масса теплосети и повышается ее гибкость. Фотонная теплосеть содержит устройства питания и управления, лазерные источники, волоконно-оптический кабель, оптические соединители, оконечные устройства. В теплосеть введены радиаторы отопления с камерами абсолютно черного тела, датчики температуры, оптический передатчик, оптическое волокно линии обратной связи, оптический приемник. При этом выходы датчиков температуры соединены с входом оптического передатчика, выход которого соединен с входом оптического волокна, выход которого соединен с управляющим входом устройства питания и управления, выход которого соединен с входом лазерных источников, выходы которых соединены с входами фотоннокристаллических волокон оптического кабеля, выходы которых посредством оптических соединителей соединены с отрезками фотоннокристаллических волокон, выходы которых соединены с камерами абсолютно черного тела, находящимися внутри радиаторов отопления. 1 ил.
Изобретение относится к теплотехнике, в частности к тепловым сетям, а более конкретно к тепловым сетям систем центрального или локального отопления помещений или других объемов, которые необходимо надежно отапливать. Это изобретение также относится к применению нанотехнологии (нанофотоники) в системах центрального и (или) локального отопления.
Такого типа устройства применяются также в «умных», энергосберегающих домах и других помещениях, которые необходимо надежно отапливать с малыми энергозатратами.
До настоящего времени для обогрева помещений прокладывают электрические провода в качестве линий электрообогрева или трубы, по которым подводят горячую воду.
Однако при использовании электричества или горячей воды возникают большие затраты на установку необходимых устройств, а также большие текущие расходы, требуется большое количество электроэнергии или топлива.
Для прокладки сетей теплоснабжения необходимо отчуждать значительные площади земли, которые, учитывая высокую стоимость земли, особенно в больших городах, увеличивают стоимость самих сетей. Временное прекращение подачи горячей воды по теплосетям в холодное время года обычно приводит к «размораживанию» трубопроводов и батарей отопления, что наносит значительный экономический ущерб. В случае применения систем электрообогрева, при нагреве проводов существует опасность утечки, поражения электричеством или возгорания.
Известна волоконно-оптическая (фотонная) тепловая сеть для дома, применяемая для отопления и лазерной инсаляции жилых помещений, крыш и подвалов [1], состоящая из лазерных источников (линейки лазеров), устройства питания и управления, волоконно-оптических кабелей, оптических соединителей и оконечных устройств.
Недостатком известной сети является наличие в составе оконечного устройства для обогрева стен и пола слоистых панелей, в которых для преобразования оптической энергии в тепловую применяется слой искусственных или природных смол, что требует существенного изменения технологии домостроения и исключает быстрое и малозатратное приспособление существующих помещений для ее применения.
Кроме того, предлагаемые в известной сети искусственные или природные смолы, как, например, наиболее распространенные эпоксидные или каменноугольные смолы, являются, как правило, сильными канцерогенами, что исключает их применение в жилых и ограничивает применение в нежилых помещениях. Относительно малый коэффициент преобразования лучистой энергии в тепловую смол снижает КПД тепловой сети, а сравнительно малая их теплопроводность вынуждает применять многоканальный ввод оптической энергии посредством оптических волокон для каждой из ее слоистых панелей, которыми покрывается вся площадь стен и пола помещения (по 5 шт. на одну панель). Это приводит к увеличению дополнительных потерь энергии на деление и (или) к соответствующему увеличению количества лазеров и усложнению всей конструкции сети, а также увеличению ее стоимости. Кроме того, применяемые в известной тепловой сети смолы имеют малую стойкость к лучистой энергии и низкую температуру плавления, что значительно снижает энергетический потенциал сети и ограничивает ее практические возможности.
Известная тепловая сеть, а именно устройство управления не имеет в своем составе вынесенного датчика (датчиков) температуры, таким образом, исключая работу сети в режиме климат-контроля.
Единая задача, на решение которой направлено данное изобретение, - повышение КПД, энергетического потенциала, снижение стоимости фотонной тепловой сети, получение возможности малозатратного переоборудования помещений для ее применения, а также обеспечение комфорта и экологической чистоты при эксплуатации.
Для этого предлагается фотонная тепловая сеть, основанная на элементной базе нанофотоники (нанотехнологии), в которой применяется высокоэффективное преобразование оптической энергии в тепло в камерах абсолютно черного тела (КАЧТ), устанавливаемых непосредственно в модернизируемых радиаторах центрального отопления.
Сущность изобретения заключается в применении в качестве оконечных устройств стандартных алюминиевых радиаторов отопления, в которые вставляются металлические КАЧТ, обеспечивающие преобразование подводимой к ним по оптическим волокнам оптической энергии от мощных квантоворазмерных (наноразмерных) гетеролазеров с эффективностью, близкой к 100%.
Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, одновременно выражается в следующем:
а) повышение энергетической эффективности, б) исключение проблемы «размораживания», в) уменьшение времени на прокладку и монтаж, г) снижение стоимости и затрат на прокладку и обслуживание, д) уменьшение массы, габаритов, е) повышении комфортности для потребителей, ж) высокой экологичности.
Указанный единый технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что по сравнению с известным [1], являющимся наиболее близким аналогом к заявляемому, с общими признаками: наличие лазерных источников, устройства питания и управления, волоконно-оптических кабелей, оптических соединителей и оконечных устройств, введены радиаторы отопления с камерами абсолютно черного тела, ВОЛС обратной связи, состоящая из датчиков температуры, оптического передатчика, оптического волокна и оптического приемника, причем устройство (блок) питания и управления 1 (БПУ) подключен к матрице мощных гетеролазеров с оптическими согласующими устройствами 2, выходы которых подключены к входам соответствующих оптических волокон 3 (ОВ) оптического кабеля 4 (ОК), выходы которых с помощью оптических соединителей 5 (ОС) соединены с отрезками 6 ОВ, непосредственно присоединенными к радиаторам отопления 7 с камерами абсолютно черного тела 8 (КАЧТ), в непосредственной близости от которых находятся датчики температуры 9, соединенные с оптическим передатчиком 10, выход которого соединен с входом оптического волокна 11, выход которого соединен со входом оптического приемника 12, выход которого соединен с управляющим входом БПУ.
Благодаря применению в качестве оконечных устройств подвергнутых незначительной модернизации стандартных алюминиевых радиаторов отопления достигается значительное снижение стоимости фотонной теплосети и затрат на ее внедрение в уже имеющемся жилом фонде и нежилых помещениях.
Металлические камеры абсолютно черного тела в радиаторах отопления, которые преобразуют подводимую к ним оптическую энергию с эффективностью, близкой к 100%, обеспечивают значительное повышение КПД фотонной теплосети с одновременным сохранением экологии окружающего пространства.
Многомодовые оптические волокна с большим диаметром сердечника в оптическом кабеле обеспечивают передачу большой оптической мощности от матрицы мощных квантоворазмерных гетеролазеров к оконечным устройствам (радиаторам отопления), что значительно расширяет область применения фотонной теплосети.
Применение датчиков температуры помещений с ВОЛС обратной связи позволяет осуществлять режим климат-контроля, что улучшает экономичность и повышает уровень комфорта.
Становится возможной также реализации аэромобильной теплосети с высокой заводской готовностью (АТСВЗГ) для быстрой доставки и оперативного развертывания в случае аварий теплосетей в зимний период, особенно в северных регионах.
На чертеже представлена структурная схема фотонной теплосети.
Здесь: 1 - блок питания и управления; 2 - лазерные источники (матрица мощных гетеролазеров); 3 - оптические волокна; 4 - оптический кабель; 5 - оптические соединители; 6 - отрезки оптического волокна (пач-корды) для ввода оптической энергии непосредственно в КАЧТ; 7 - радиаторы отопления; 8 - КАЧТ; 9 - датчики температуры в помещении (помещениях); 10 - оптический передатчик с АЦП; 11 - оптическое волокно; 12 - оптический приемник.
В качестве лазерных источников 2 могут быть использованы матрицы мощных квантоворазмерных гетеролазеров квазинепрерывной мощностью более 15 кВт [2], причем КПД отдельных гетеролазеров в настоящее время превышает 74% [3], по современным многомодовым оптическим волокнам 3, несмотря на их малые размеры, возможна передача свыше нескольких кВт непрерывной оптической энергии в широком температурном диапазоне [4], камеры абсолютно черного тела 8 могут преобразовывать оптическую энергию в тепловую с эффективностью, близкой к 100% [5-7].
Устройство работает следующим образом: электроэнергия, подводимая от устройства питания и управления 1 к лазерным источникам 2, преобразуется в оптическую, далее оптическая энергия по оптическим волокнам 3 оптического кабеля 4 передается к присоединенным посредством оптических соединителей 5 и отрезкам оптического волокна 6 радиаторам отопления 7 и вводится в камеры абсолютно черного тела 8, установленные внутри них, где преобразуется с высоким КПД в тепло. Датчики температуры 9 отслеживают текущую температуру внутри отапливаемых помещений, информация о которой поступает на АЦП оптического передатчика 10, который мультиплексирует ее и передает по оптическому волокну обратной связи 11 на оптический приемник, сигналы с которого подаются на управляющий вход устройства питания и управления 1 и после обработки используются для управления мощностью соответствующих лазеров лазерного источника 2, поддерживая тем самым заданную программно или вручную температуру внутри отапливаемых помещений.
Источники информации
1. JP 2003328548, K.Yasuhi, N.Hideki, Int. C1. A01M 1/04; A01M 29/00; E04B 1/72; E04F 13/08; E04F 15/18; F24D 13/02; G02F 1/01; G08B 13/186; 19.11.2003.
2. Data Sheet Laser Arrays AQ081Q15000 // Roithner lasertechnik GmbH. - www.roithner-laser.com. 2008.
3. Винокуров Д.А., Зорина C.A., Тарасов И.С. и др. Мощные полупроводниковые лазеры на основе асимметричных гетероструктур раздельного ограничения // Физика и техника полупроводников. - 2005. - Т.39, вып.3 - с.388-393.
4. High-Power Delivery Fibers. Photonics and instrumentation. Newport Co. // www.newport.com. 2008.
5. Савельев И.В. Курс общей физики в 3 т. - М.: Наука, изд. 4-е. - т.3. - 1970.
6. Прибор для измерения мощности оптического излучения ИМО-2. Техническое описание. ГОСТ 24469-80.
7. Измеритель мощности технологических лазеров РСИ-ЭИ. - Техническое описание. - ИЛ. 173.00.000 ТУ.
Фотонная теплосеть, содержащая устройства питания и управления, лазерные источники, волоконно-оптический кабель, оптические соединители, оконечные устройства, отличающаяся тем, что в нее введены радиаторы отопления с камерами абсолютно черного тела, датчики температуры, оптический передатчик, оптическое волокно линии обратной связи, оптический приемник, причем выходы датчиков температуры соединены с входом оптического передатчика, выход которого соединен с входом оптического волокна, выход которого соединен с управляющим входом устройства питания и управления, выход которого соединен с входом лазерных источников, выходы которых соединены с входами фотоннокристаллических волокон оптического кабеля, выходы которых, посредством оптических соединителей, соединены с отрезками фотоннокристаллических волокон, выходы которых соединены с камерами абсолютно черного тела, находящимися внутри радиаторов отопления.
