СПОСОБ НАГРЕВА ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ
HEATING METHOD OF HEAT CARRIERS

Изобретение относится к теплоснабжению жилых и производственных помещений, а именно к способам нагрева теплоносителей различных отопительных систем.
Известен способ нагрева теплоносителей путем сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива в теплообменниках отопительных систем [смотри, например, Межгосударственный стандарт "Аппараты отопительные газовые бытовые с водяным контуром". ГОСТ 20219-93].
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) по наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при этом результату является способ нагрева теплоносителей в теплообменниках, предусматривающий использование электрической энергии [Электротехнический справочник, т.3, кн.2. М.: Энергоатомиздат, 1988, раздел 53.1].
Недостатком прототипа является то, что электрическую энергию подводят в теплообменники к встроенным нагревательным элементам (ТЭНам), по проводам электросетей от различного типа генераторов электрической энергии. Это существенно удорожает себестоимость получаемой таким способом тепловой энергии.
Технической задачей, стоящей перед изобретением, является создание достаточно простого способа нагрева теплоносителей для различных отопительных систем с низкой себестоимостью генерации экологически чистой тепловой энергии.
Согласно изобретению техническая задача решается следующим образом. Способ нагрева теплоносителей, включающий нагревание их электрическим током. Электрический ток получают путем преобразования механической энергии потока воды в водоводе (трубопроводе) в электрическую энергию вихревых токов магнитопроводов и токов в обмотках, нагруженных электрическими сопротивлениями. При этом размещают водовод (трубопровод), имеющий подвижные в радиальном направлении части стенок, в потоке воды, периодически инициируют в водоводе (трубопроводе) гидравлический удар, приводящий к радиальным перемещениям подвижных частей стенок водовода (трубопровода), устанавливают на стенках водовода (трубопровода) линейные электрогенераторы, представляющие собой магниты с магнитопроводами и обмотки из изолированного провода, образующие вместе магнитную цепь, размещают на водоводе (трубопроводе) теплоизолированную рубашку, внутри которой находятся магниты с магнитопроводами и обмотки, прокачивают через рубашку теплоноситель, нагреваемый вихревыми электрическими токами, возникающими в магнитопроводах, и токами, индуцируемыми в нагруженных электрическими сопротивлениями обмотках, обусловленными изменением магнитного потока в магнитных цепях, при радиальном перемещении подвижных частей стенок водовода.
В предложенном способе кинетическая энергия всего объема воды, движущейся в водоводе (трубопроводе) с первоначальной скоростью (до инициирования гидравлического удара), сначала преобразуется при перекрытии сечения водовода (трубопровода) в потенциальную энергию упругой деформации воды и стенок водовода (трубопровода), под действием которой совершается механическая работа по радиальному перемещению подвижных частей стенок водовода (трубопровода), приводящая к изменению значения магнитного потока в магнитных цепях и генерации в обмотках из изолированного провода электрического тока, а также вихревых токов (токов Фуко) в магнитопроводах магнитных цепей, которые нагревают обмотки и магнитопроводы с последующей отдачей тепла прокачиваемому через рубашку теплоносителю.
Способ нагрева теплоносителей реализуется следующим образом. Теплообменники сооружают в виде трубопроводов (водоводов), часть стенок которых способны к радиальным перемещениям под действием изменяющегося в трубопроводах давления воды, вызванного периодически инициированным гидравлическим ударом, прикрепляют к неподвижным и подвижным частям стенок трубопроводов высокоэнергетические магниты с магнитопроводами и обмотки из медного изолированного провода, создают в трубопроводах гидравлический удар с использованием гидротаранов [Гидравлика. Н.Н.Кременецкий, Д.В.Штеренлихт, В.М.Алышев, Л.В.Яковлева, М., Энергия, 1973, с.215-217]. Гидроудар, инициируемый гидротараном, приводит к колебаниям давления в трубопроводе и радиальным перемещениям подвижных частей стенок трубопровода, приводящим к изменению магнитного потока в магнитопроводах магнитных цепей, индуцируя тем самым электрический ток в обмотках, находящихся под нагрузкой, и вихревые токи (токи Фуко) в магнитопроводах магнитных цепей.
2
Рассмотрим следующий пример. Первоначальная скорость движения воды в стальном трубопроводе с внутренним диаметром 1,4 м составляет 5 м/с. Трубопровод без теплоизолированной рубашки представляет собой составную неотъемлемую часть теплообменника для нагрева теплоносителей отопительных систем. Площадь подвижной части стенок трубопровода на единице длины трубопровода составляет 1,54 м.
При резком перекрытии сечения в конце трубопровода клапаном известной гидротаранной установки в нем возникает гидравлический удар, с ударным давлением, согласно расчетам, 0,69 МПа. Гидравлический удар движется от перекрытого сечения трубопровода к его началу со скоростью распространения ударной волны. В нашем примере она составляет, согласно расчетам, 138 м/с, приводя к последовательным радиальным перемещениям подвижные части стенок трубопровода на 5 см. Механическая работа, производимая ударным давлением в течение одной секунды при последовательном радиальном перемещении всех подвижных частей стенок трубопровода на длине 138 м, представляет собой механическую мощность, которая составляет, согласно расчетам, 2,6 МВт и преобразуется, согласно предлагаемому способу, в электрическую энергию, а затем в тепловую (Джоулево тепло). Механическая работа, совершенная за первую секунду после инициирования гидравлического удара, при минимальных потерях энергии практически равна кинетической энергии массы воды, движущейся в трубопроводе заданной длины при первоначальной скорости. Далее в работе гидроагрегата следует пауза. Пауза необходима для инициирования нового гидроудара в трубопроводе при помощи известного гидротаранного устройства, и процесс повторяется. Для непрерывного снятия вышеуказанной механической мощности необходимо иметь несколько одинаковых устройств, работающих со сдвигом по времени. Механическая мощность, согласно способу, через электрическую мощность полностью превращается в тепловую энергию.
Использование заявленного технического решения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает выработку значительного количества экологически чистой тепловой энергии, с малой себестоимостью для теплоснабжения жилых и производственных помещений, расположенных на удаленных от централизованного энергоснабжения территориях, имеющих водные ресурсы.