СПОСОБ ЭЛЕКТРОКАВИТАЦИОННОГО НАГРЕВА ЖИДКОСТИ И ПРОТОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОКАВИТАЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ НА ЕГО ОСНОВЕ
METHOD FOR ELECTRIC CAVITATION HEATING OF LIQUID, AND FLOW ELECTRIC CAVITATION HEATER BASED ON IT

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к теплогенераторам кавитационного типа, и может быть использовано в системах горячего водоснабжения, отопления и устройствах нагрева жидкости различного назначения. Оно может быть также применено в качестве диспергатора, кавитационного смесителя, гомогенизатора, кавитационного стерилизатора жидких сред, химического реактора и т.п. аппаратов.
Широко известны различные способы нагрева жидкости: электронагревателями, со сжиганием углеводородных типов топлива, с использованием ядерной энергии и энергии солнца, трением, гидромеханическим воздействием и другие. При этом многие технологические процессы требуют прямого нагрева химических реагентов - кислотных, солевых, щелочных растворов и прочих агрессивных сред, для чего обычные способы нагрева (ТЭНы, парогенераторы) дороги, громоздки, недолговечны или недопустимы.
Общими для них проблемами являются низкий КПД преобразования исходной энергии в тепловую, а также экологическое загрязнение окружающей среды при утилизации используемых природных ресурсов. При этом, например, для обеспечения и поддержания работы котельных установок, используемых в качестве источников тепла, требуется потребление значительных объемов энергоносителей. Солнечные генераторы, преобразующие энергию солнечного излучения, эффективно могут быть использованы только в районах с большим числом солнечных дней в году. Кроме того, ряд источников теплоэнергии (например, атомные и тепловые станции) в процессе функционирования наносит существенный вред окружающей природе (см. Кормилицын В.И. Экологические аспекты сжигания топлива в паровых котлах. - М.: Издательство МЭИ, 1998, с.7-16).
6
Так, известны способ нагрева воды и электроводонагреватель, в которых тепловую энергию получают электронагревом воды в последовательно соединенных секциях водонагревателя с пластинчатыми электродами, а регулировку температуры воды осуществляют на выходе путем изменения количества секций, на каждую из которых подают фиксированную электрическую мощность, соответствующую удельному электрическому сопротивлению воды (см. «Способ нагрева воды и электроводонагреватель (варианты)», патент РФ №2059165, МПК F24H 1/20, 1993 г.). Также известны энергопреобразователи, преобразующие электрическую энергию в тепловую посредством ТЭНового электронагрева потока воды, например, типа "Галан".
Эти устройства достаточно просты, но требуют больших энергетических затрат, циркуляционного насоса и надежно работающей автоматики, поскольку при аварийном прекращении течения воды возможно перегорание ТЭНов или резкое повышение давления в системе, могущее привести к аварийному разрушению электронагревательной установки. При их работе в системах образуется накипь, возможен электролиз воды с образованием взрывчатых смесей и, как правило, их нельзя использовать в химических реакторах.
Известны устройства, использующие для получения тепловой энергии изменения физико-механических параметров нагреваемой в жидкости, в частности давления, объема и скорости, путем организации кавитационных процессов. Например, устройство для нагрева жидкости, состоящее из теплогенератора, включающего ускорители движения жидкости - перепускной патрубок и циклон, тормозные устройства, и сетевого насоса с инжекционным патрубком (см. «Теплогенератор и устройство для нагрева жидкости», патент РФ №2045715, МПК F25B 29/00, 1993 г.). От существующих электронагревателей подобные кавитационные нагреватели жидкости отличаются значительно более высокой эффективностью - отношением производимой теплоты к потребляемой на их привод энергии. Так, по заключению РКК "Энергия" №77-6/33 от 01.12.1994 г., нагреватель типа "ЮСМАР" имеет средний условный коэффициент преобразования энергии на 23% выше по сравнению с электродными теплогенераторами и на 42% выше по сравнению с ТЭНовыми (см. Потапов Ю.С., Фоминский Л.П. Вихревая энергетика и холодный синтез с позиций теории движения. - Киев - Черкассы: Око-Плюс, 2000. 387 с.).
Недостатком устройства является его сложность, необходимость в использовании дополнительного насоса для организации кавитационного режима течения жидкости, а следовательно, недостаточно высокий КПД. Кроме того, в вихревой трубе теплогенератора, вследствие больших перепадов давления, идут экологически опасные реакции ядерного синтеза, дающие дополнительное тепло, с образованием радиоактивных изотопов, гамма-излучением, и выходом нейтронов.
7
Известны устройства, использующие комплекс физических факторов, воздействующих на нагреваемую жидкость. Например, в кавитационном энергопреобразователе, представляющем собой расположенный вокруг рабочего колеса торообразный вихреобразующий канал с кавитирующей жидкостью, для обеспечения непосредственного преобразования электрической энергии в тепловую, расширения функциональных возможностей и диапазона регулирования преобразуемой энергии, на кавитирующую жидкость воздействуют постоянным или переменным магнитным полем и пропусканием электрического тока (см. «Кавитационный энергопреобразователь», патент РФ №2224957, МПК F24J 3/00, 2001 г.).
Недостатками данного технического решения являются: сложность конструкции, существенный кавитационный износ рабочих органов, значительные затраты механической энергии, непосредственно подводимой к рабочему колесу, неэффективное облучение кавитационной зоны магнитным полем в предложенной схеме, поскольку большая часть магнитного потока циркулирует вне устройства, и все недостатки прямого пропускания электрического тока, отмеченные выше.
7
Задача изобретения «Теплогенератор» - обеспечение эффективного нагрева воды и производства пара теплогенератором упрощенной конструкции без применения традиционных теплоносителей и без затрат электроэнергии с обеспечением высокого коэффициента полезного действия. Поставленная задача достигается тем, что теплогенератор содержит наружный конус, на внутренней стороне которого имеются винтовые каналы для протока воды, и внутренний конус, имеющий продольные сквозные расположенные по касательной к внутренней поверхности щелевые отверстия, совпадающие ориентацией в поперечном сечении (вход - выход) с направлением движения воды. При прохождении воды через винтовые каналы при давлении на входе от 2 до 6 атм происходит нагрев воды с температурой на выходе от 95°C и выше с образованием пара (см. «Теплогенератор», патент РФ №2241917, МПК F24J 3/00, 2003 г.).
Преимуществами данного нагревателя жидкости является: простота конструкции, исключающая необходимость как в насосе, создающем давление рабочей среды, так как достаточно давление воды водопроводной сети от 2 до 6 атм, так и в высокооборотном электродвигателе, поскольку условия для разогрева воды создаются находящейся в статическом положении конструкцией теплогенератора. Эти обстоятельства, исключающие необходимость в электродвигателях, приводят к повышению КПД устройства и экономии электроэнергии.
Недостатком устройства является низкая производительность.
7
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ получения тепла путем подачи воды в вихревой теплогенератор, формирования вихревого потока воды в нем и обеспечения кавитационного режима течения вихревого потока при резонансном усилении возникающих в этом потоке звуковых колебаний с последующим отводом получаемого в вихревом теплогенераторе тепла от выходящего потока воды к потребителю. Обеспечение кавитационного режима течения вихревого потока в вихревом генераторе при резонансном усилении возникающих в этом потоке звуковых колебаний достигается путем подбора скорости вращения насоса или длиной столба воды перед фильерой или напором воды, подаваемой в теплогенератор, или длиной столба воды в вихревой трубе вихревого теплогенератора. Рождаемые ею звуковые колебания воды усиливаются на резонансной частоте 1,9 кГц, соответствующей частоте собственных звуковых колебаний столба воды в вихревой трубе, работающей как резонатор (см. «Способ получения тепла», патент РФ №2165054, МПК F24J 3/00, 2000 г.).
Недостатком этого способа является его сложность, требующая индивидуальной настройки для каждого конкретного случая применения. Реализация его возможна путем согласования многочисленных прецизионных узлов, и поэтому установки, изготавливаемые по этому способу, будут дороги для потребителя.
6
Прототипом технического устройства для предлагаемого нагревателя выбран теплогенератор струйного действия по патенту RU 2096694. Теплогенератор содержит соосно установленные входное сопло и выходной патрубок, камеру смешения горячего и холодного потоков и торообразный резонатор - камеру нагрева (см. «Теплогенератор струйного действия «Тор», патент РФ №2096694, МПК F24J 3/00, 1995 г.).
Недостатком данной конструкции является низкая эффективность преобразования кинетической энергии струи жидкости в тепло, т.к. часть потока поступающей жидкости проходит транзитом, минуя резонансную камеру нагрева, другая ее часть, менее 50%, поступает в нагревательную камеру, где после нагрева смешивается с прямым потоком исходной воды и поступает к потребителю, отсутствует регулирование температуры нагреваемой жидкости
Задачей изобретения является повышение эффективности технологии нагрева жидкости, упрощение устройства и снижение эксплуатационных затрат при соблюдении экологических и других требований безопасности.
Поставленная задача достигается тем, что нагрев жидкости осуществляют путем подачи ее в рабочую камеру, формирования в ней вихревого потока жидкости и обеспечения кавитационного режима течения вихревого потока при резонансном усилении возникающих в этом потоке механических колебаний с последующим отводом нагретой жидкости потребителю, причем при подаче жидкости в рабочую камеру создают скоростную расширяющуюся жидкостную струю, в рабочей камере обеспечивают одновременное широкополосное резонансное усиление всех собственных частот вихревого потока жидкости, включая меняющие свою частоту волны вихревых колебаний жидкости и ультразвуковые волны кавитационного шума схлопывающихся пузырьков, а внутренний объем рабочей камеры пронизывают постоянным и/или переменным электрическим полем.
При этом обеспечивают кавитационный режим течения вихревого потока в рабочей камере регулированием расхода выходного потока нагретой жидкости, а температуру нагрева жидкости регулируют изменением напряженности и/или частоты электрического поля.
Поставленная задача достигается в проточном электрокавитационном нагревателе, содержащем рабочую камеру с входным и выходным патрубками, при этом входной патрубок снабжен, по меньшей мере, одним кавитационным элементом для создания скоростной расширяющейся жидкостной струи, например, проходной канал патрубка выполнен в форме конфузорно-диффузорного сопла, рабочая камера выполнена из диэлектрического материала, с возможностью широкополосного резонансного усиления механических колебаний вихревого потока жидкости, например, в форме сферы, а на ее внешней поверхности оппозитно размещены пронизывающие внутренний объем рабочей камеры электрическим полем, по меньшей мере, два электрода, подключенные к разным полюсам источника постоянного и/или переменного электрического напряжения.
Кроме того, в выходном патрубке может быть установлена, по меньшей мере, одна вставка, выполненная с возможностью изменения площади проходного сечения, например, в виде регулируемой диафрагмы, а источник электрического напряжения имеет возможность регулирования величины и/или частоты выходного напряжения.
Сущность изобретения состоит в том, что для нагрева жидкости совместно используют два давно известных эффекта (приема). Первый - вихревое течение жидкости с кавитационным процессом схлопывания пузырьков (см. Федоткин И.М., Немчин А.Ф. Использование кавитации в технологических процессах. - Киев: Вища школа, 1984, с.12-13, 32). Второй - явление электростатической индукции под действием электрического поля, вызывающей поляризацию в диэлектриках и разделение (индуцирование) зарядов в проводниках (см. Ландсберг Г.С. (ред.) Элементарный учебник физики. Т2. - 13-е изд. - М.: Физматлит, 2008, с.24-27, 40-41, 85-93; Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1967, с.732.).
Известно, что температура жидкости характеризует уровень ее термодинамического состояния и внутренней энергии, которая включает кинетическую энергию хаотического (теплового) движения составляющих его частиц (молекул, атомов, ионов и др.), энергию взаимодействия этих частиц, энергию их электронных оболочек, внутриядерную энергию и т.д. (см. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1974, с.153-154).
При кавитации в схлопывающихся пузырьках образуется высокая температура (до тысяч градусов) и давление (до десятков тысяч атмосфер), вызывающие нагрев жидкости и сопровождаемые излучением ультразвука на собственных частотах пузырьков и соннолюминесценцией (см. Розенберг Л.Д. (ред.) Физика и техника мощного ультразвука. Т2. - М: Наука, 1968, с.154-160).
-3
7
Для интенсификации кавитации и образования развитого кавитационного процесса необходимо резонансно усиливать ее колебания на всех собственных частотах потока кавитирующей жидкости. Среди этих волн можно выделить волны сжатия-разрежения, определяемые динамикой потока жидкости в рабочей камере, которые существенно изменяются по мере насыщения потока пузырьками, собственные частоты кавитирующих пузырьков (составляющие более 300 кГц для типичных пузырьков размером менее 10 см) и собственные молекулярные частоты. Например, для некоторых жидкостей эти частоты имеют следующее значения (см. «Способ нагрева жидких и газовых сред», патент РФ №2231002, МПК F24J 3/00, 2002 г.):
Таблица 1
Характеристические частоты колебании некоторых молекул (веществ)
Связь межатомн.
Вещество
Частота колебаний f, Гц
O-H
Вода
3650-3750
C-C
Этан
992
C=C
Этилен
1621
C=O
Ацетон
1700
Как известно, лучшим резонатором является сфера, поэтому она и использована в изобретении в качестве основной. Причем поскольку перечисленные частоты преимущественно ультразвуковые, то сфера не будет иметь большие размеры.
Кроме того, кавитация сопровождается электризацией жидкости с распадением молекул на заряженные ионы, в частности, вода, в основном, диссоциирует на радикалы Н и ОН. Согласно гипотезе Ф.Купера, в вихревом потоке жидкости возникает ток (электризация), зависящий от турбулентности и других параметров потока жидкости (см. Тэнэсеску Ф., Крамарюк Р. Электростатика в технике. - М.: Энергия, 1980, с.120):
где:
Re - число Рейнольдса,
x
C - коэффициент сопротивления Рейнольдса,
r
ε - диэлектрическая проницаемость жидкости,
o
ε - электрическая постоянная,
σ - поверхностная плотность электрических зарядов,
x - толщина двойного слоя,
v - средняя скорость течения жидкости.
Эти обстоятельства, в дополнение к кавитационному нагреву, позволяют использовать прямые способы нагрева электризованной жидкости электрическим полем, без задействования электроприводов для механоактивации жидкости и без нагрева промежуточных агентов - теплоносителей, ТЭНов, трубопроводов и т.п.
При этом, во-первых, действие электрического поля, вероятно ослабляя межмолекулярные связи жидкости, усиливает кавитационный процесс. В ходе лабораторных исследований, было экспериментально установлено лавинообразное усиление кавитации под действием ультразвука при наложении на жидкие диэлектрики электрического поля с напряженностью до 24 кВ/см (см. Маргулис М.А. Звукохимические реакции и соннолюминесценция. - М.: Химия, 1986, с.98).
Во-вторых, воздействуя на диэлектрик (жидкостной) переменным электрическим полем, образуемым электродами, между которыми по схеме конденсатора заключают диэлектрик, получают его диэлектрический (конденсаторный) нагрев. Количество энергии (Р), поглощаемой при этом диэлектриком определяются следующим выражением (см. Меркулов В.И. Основы конденсаторостроения. - Томск: Томский политехнический университет, 2001, с.29-31):
где:
f - частота электрического поля,
U - напряжение электрического поля,
C - емкость конденсатора,
tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь.
Потери (затраты) энергии на нагрев диэлектрика при этом обусловлены рассеиванием энергии при движении ионов в процессе электропроводности, смещением ионов при междуслойной и ионно-релаксационной поляризации, при ориентации диполей или полярных групп-радикалов в ходе дипольно-релаксационной и дипольно-радикальной поляризации, в результате ионизационных процессов в газовых (воздушных) включениях диэлектрика. Определяющими процессами потерь в диэлектрике являются его электропроводность и релаксационная поляризация.
Изменением частоты и напряжения электрического поля при этом легко регулировать температуру нагрева жидкого диэлектрика (нагреваемой жидкости).
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ и устройство нагрева жидкости отличаются иной, более простой и более экономичной технологией преобразования энергии входного напора жидкости и энергии электрического поля в термодинамическую энергию жидкости. В отличие от известных технологий, в них нет подвижных механизмов, прецизионных деталей, прямого контакта электродов с нагреваемой жидкостью, нет сверхвысоких давлений, создающих предпосылки для ядерных реакций, радиационного излучения и иных экологически опасных сопутствующих факторов, причем при отсутствии жидкости в рабочей камере опасность взрыва и пожара исключена. При этом, в отличие от прототипа, вся жидкость подвергается кавитационной обработке и нагреву электрическим полем. В отличие от аналога по патенту RU 2224957, воздействующий физический фактор (поле), не распределен в окружающем пространстве, а сосредоточен в нагреваемой жидкости.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
На рисунке показан пример (вариант) работы устройства, реализующего предлагаемый способ нагрева жидкости, которая заключается в следующем.
Проточный электрокавитационный нагреватель содержит рабочую камеру 1 с входным патрубком 2 для подачи нагреваемой жидкости и выходным патрубком 3 для отвода нагретой жидкости потребителю. При этом проходной канал входного патрубка 2, для создания скоростной расширяющейся жидкостной струи, выполнен в форме конфузорно-диффузорного сопла, рабочая камера 1 выполнена из диэлектрического материала в виде широкополосного резонатора механических колебаний вихревого потока жидкости - в форме сферы, а на ее внешней поверхности оппозитно размещены, пронизывающие внутренний объем рабочей камеры 1 электрическим полем два электрода 4, подключенные к разным полюсам источника постоянного и/или переменного электрического напряжения 5. В выходном патрубке 3 возможно размещение вставки 6, сконструированной с возможностью изменения площади проходного сечения, например, в виде регулируемой диафрагмы.
При подаче в рабочую камеру жидкости, например, воды из стандартной водопроводной системы с давлением 2-6 атм, во входном патрубке создается скоростная расширяющаяся жидкостная струя, которая далее, как указано стрелками, вихреобразно закручивается в камере с образованием зоны H низкого и зоны B высокого давления. В рабочей камере, за счет ее свойств широкополосного резонатора, обеспечивается резонансное усиление всех рабочих (полезных) механических волн потока, включая не только меняющие частоту вихревые колебания жидкости, но и ультразвуковые волны кавитационного шума схлопывающихся пузырьков. Зона кавитации при этом, в основном, сосредоточена в центральной части камеры. Поток жидкости в камере пронизывается образуемым между электродами электрическим полем, которое усиливает кавитацию и одновременно осуществляет диэлектрический нагрев жидкости. Величиной или частотой напряжения источника электрического напряжения легко и удобно регулируется температура нагрева жидкости. При необходимости подстройки кавитационного режима в рабочей камере при значительных вариациях входного давления жидкости, поступающей из магистральной системы, используется регулируемая диафрагма, изменяющая расход нагретой жидкости, поступающей потребителю, и, соответственно, давление в рабочей камере.
Изобретение может быть также применено в качестве диспергатора, кавитационного смесителя, гомогенизатора, кавитационного стерилизатора жидких сред, химического реактора и т.п. аппаратов.
Использование предлагаемого способа и устройства нагрева жидкости дает, по сравнению с существующими способами, следующий технический результат:
позволяет упростить конструкцию нагревателей, которая, кроме того, статична, поэтому более надежна, долговечна, дешева и имеет повышенный ресурс в условиях действия кавитации, а также требует меньших эксплуатационных затрат;
предложенная технология более эффективна и экономична по сравнению с существующими, дает высокую производительность, имеет удобное регулирование температуры нагреваемой жидкости, использует прямое преобразование электроэнергии в тепло, позволяя тем самым экономить электроэнергии и обеспечивая более высокий коэффициент полезного действия;
является экологически чистым способом, работающим без выброса радиоактивного излучения и загрязнения окружающей среды;
имеет широкие функциональные возможности для применения в смежных областях.
Перспективы промышленного применения изобретения не вызывают трудностей, поскольку предлагаемый способ состоит из совместного действия двух, давно известных и широко применяемых в гидродинамике и электротехнике эффектов кавитации в вихревом потоке жидкости и электростатической индукции под воздействием электрического поля, а также не требует использования каких-либо, неизвестных современной промышленности, средств, материалов или элементов. Так, корпус устройства состоит из одной детали и легко отливается, например, из пластика на используемых в производстве пластмассовых изделий станках. Источники напряжения высокой частоты широко применяются в радиотехнике, технологиях высокочастотного и индукционного нагрева и других направлениях.