СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
HEAT ENERGY GENERATION METHOD AND DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к теплотехнике, в частности к способам и устройствам для получения тепла, образующегося иначе, чем в результате сгорания топлива, и может быть использовано в системах отопления и ГВС жилых и производственных помещений, а также для предварительного подогрева воды на ТЭЦ и АЭС и для улучшения реологических свойств нефти и нефтепродуктов.
Уровень техники
Известны фрикционные способы нагрева жидкостей, заключающиеся в том, что тепло получают в результате трения друг от друга и/или о жидкость твердых тел, приводимых в движение в сосуде с жидкостью. Один из таких способов раскрыт в авторском свидетельстве СССР №1627790, F24J 3/00, опубл. в 1991 г. Недостатком этого способа является то, что из-за потерь энергии эффективность нагрева (отношение количества вырабатываемой тепловой энергии, уносимой нагреваемой жидкостью, к электрической или механической энергии, потребляемой устройством) меньше единицы.
Также известны способы нагрева жидкостей, в которых эффективность нагрева превышает единицу. Это кавитационно-вихревые способы. Устройства для их реализации подразделяются на два типа - роторные и вихревые.
Роторные способ нагрева жидкостей, а также устройства для их осуществления раскрыты в патенте RU 2054604, F24J 3/00, Кладов А.Ф., 20.02.1996 г. и в патенте RU 2165054, F24J 3/00, Потапов Ю.С. и др., 10.04.2001 г. Устройство по патенту RU 2054604 состоит из корпуса кавитационного теплогенератора, в котором укреплены на валу рабочие колеса центробежных насосов с перфорированными кольцами. Рабочие колеса приводятся во вращение электродвигателем. Коаксиально им расположены неподвижные перфорированные кольца, несколько большего диаметра, закрепленные в корпусе теплогенератора. Корпус имеет два отверстия для подачи нагреваемой жидкости и отвода ее от него.
Способ по патенту RU 2054604 заключается в том, что жидкость подают на вход теплогенератора и создают в зоне ее обработки кавитационные пузырьки и завихрения, которые возникают из-за периодических изменений давления жидкости при протекании ее через взаимно пересекающие отверстия перфорации вращающихся и неподвижных колец теплогенератора. При этом жидкость нагревается в результате трения о стенки и поверхности перфорированных колес, а также кавитации.
Теплогенератор по патенту RU 2054604, благодаря наличию в нем рабочих колес центробежных насосов, сам создает давление, необходимое для подачи нагретой жидкости потребителю, и нет необходимости в циркуляционном насосе. С помощью устройства по патенту RU 2054604 можно достичь значений эффективности, равных 2-4 и даже выше. Это становится возможным благодаря тому, что появляется избыточная энергия в результате протекания в кавитационных пузырьках ядерных реакций синтеза ядер атомов водорода (протонов), входящих в состав воды. Подтверждением этому является обнаруженное превышение дозы ионизирующего излучения из нагретой в таком устройстве жидкости над дозой фонового ионизирующего излучения.
Недостатком устройства по патенту RU 2054604 является его громоздкость и необходимость защиты от ионизирующего излучения всей системы отопления.
Более простым и безопасным является способ для получения тепла, а также устройство для его осуществления, раскрытые в патенте US 5188090, F24C 9/00, J.L.Griggs, 23.02.1993 г. Согласно данному способу предложено нагревать воду, пропуская ее по зазору между сопрягаемыми поверхностями статора и вращающегося относительно него монолитного цилиндрического ротора. На проходящую воду воздействуют кавитирующие пузырьки, которые возникают в многочисленных углублениях, высверленных на цилиндрической поверхности ротора. Согласно способу по патенту US 5188090 вода нагревается до 80-88°С при начальной температуре 20-60°С.
Согласно способу по патенту US 5188090 количество тепловой энергии, генерируемой в устройстве для его осуществления и выносимой из него нагретой жидкостью к потребителю, в 1,17 раз больше, чем количество электрической энергии, которое потребляет электродвигатель, приводящий во вращение ротор этого устройства. Естественно, что чем меньше расход воды, тем выше температура воды в трубопроводе, отводящем ее к потребителю.
Недостатком способа по патенту US 5188090 является низкая эффективность нагрева жидкости по сравнению с эффективностью ее нагрева по способу, раскрытому в RU 2054604. Это обусловлено, во-первых, тем, что при вращении ротора в устройстве, раскрытом в US 5188090, не происходит пересечения струй воды отверстиями перфорации, как это происходит в устройстве, раскрытом в RU 2054604. Другой причиной снижения эффективности нагрева воды по способу, раскрытому в US 5188090, является то, что насос для прокачивания нагретой воды через теплогенератор и подачи ее далее к потребителю установлен в схеме трубопроводов перед теплогенератором и присоединен к трубопроводу, идущему к входному отверстию теплогенератора. Роторный теплогенератор в устройстве по US 5188090 не может прокачивать нагретую воду без помощи внешнего насоса, поскольку отверстия для входа и выхода нагретой воды в теплогенераторе находятся на одинаковом расстоянии от оси вала, и центробежные силы, действующие на воду при вращении ротора, уравновешиваются. Работу по прокачиванию нагретой воды совершает внешний насос, нагнетающий эту жидкость сначала в теплогенератор, а затем и далее во все трубопроводы и сосуды схемы. При этом давление нагретой воды оказывается наибольшим на входе в теплогенератор. На выходе из теплогенератора давление воды несколько ниже, чем на входе в него, но выше, чем в трубопроводах и сосудах, расположенных далее по схеме по ходу нагретой воды после теплогенератора. То есть много больше атмосферного давления окружающего воздуха. А чем больше давление воды, тем меньше, как известно, интенсивность кавитационных процессов в ней, ибо кавитационные пузырьки "задавливаются" этим давлением и не развиваются далее.
Еще одним аналогом заявляемым способу и устройству для получения тепловой энергии является способ получения тепла, а также устройство для его осуществления, раскрытые в патенте RU 2045715, F25B 29/00, Потапова Ю.С., 1995 г. Данный способ заключается в том, что воду, подлежащую нагреву, подают в теплогенератор и формируют вихревое движение этой воды в нем при обеспечении кавитационного режима ее течения за счет усиления в ее потоке возникающих звуковых колебаний. При этом подаваемую воду предварительно нагревают до температуры, большей 63°С.
В качестве теплогенератора по патенту RU 2045715 используют вихревой теплогенератор. Во всех примерах воду, подлежащую нагреву, подают на вход теплогенератора с помощью внешнего насоса, нагнетающего ее в теплогенератор.
Недостатком способа по патенту RU 2045715 является низкая эффективность нагрева жидкости, достигающая значений только 1,2-1,4 при нагреве воды в вихревом теплогенераторе.
Причиной низкой эффективности нагрева воды является то, что давление воды в вихревом теплогенераторе (до 5 атм) слишком высоко как на входе в теплогенератор, так и на выходе из него. А чем больше давление воды, тем меньше, как известно, интенсивность кавитационных процессов в ней, ибо кавитационные пузырьки "задавливаются" этим давлением и не развиваются далее.
Давление воды на входе в устройство по патенту RU 2045715 делают столь высоким для того, чтобы за счет этого давления обеспечить необходимую высокую скорость подачи воды в улитку (завихритель) вихревой трубы. При этом насос для прокачивания нагретой воды, установленный перед теплогенератором и присоединенный к трубопроводу, идущему к входному отверстию теплогенератора, не только должен совершать работу по прокачиванию воды через теплогенератор, но и работу по прокачиванию этой воды далее по трубопроводам, отводящим нагретую воду от теплогенератора к потребителю. Последние тоже оказывают существенное сопротивление потоку воды, поэтому давление воды на выходе из теплогенератора оказывается тоже значительно выше атмосферного.
Наиболее близкий аналог настоящего изобретения раскрыт в патенте Российской Федерации №2132517 С1, дата публикации - 27.06.1999. Из указанного патента известен способ получения тепловой энергии, включающий подачу потока жидкости под давлением насосом в вихревую трубу с получением кавитационного вихревого потока и последующее направление кавитационного вихревого потока в емкость с жидкостью.
Также из указанного патента известно устройство для получения тепловой энергии, включающее емкость нагретой жидкости, вихревую трубу и насос подачи жидкости в вихревую трубу.
Недостатки наиболее близкого аналога заключаются в том, что кавитационный вихревой поток образуется не при максимально возможной интенсивности завихрения, и в том, что отсутствует резонансный кавитационный режим протекания жидкости.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение скорости нагрева жидкости и улучшение теплопередачи в кавитационно-вихревом теплогенераторе за счет интенсификации кавитационных процессов в нем и создание резонанса в вихревой трубе. Дополнительным результатом кавитационных процессов в случае использования воды в качестве жидкости является изменение химических свойств воды, что приводит к улучшению очищения воды от загрязнений за счет изменения уровня рН.
Указанный технический результат достигается за счет способа получения тепловой энергии, включающего подачу потока жидкости под давлением насосом в вихревую трубу с получением кавитационного вихревого потока, в котором происходит концентрация и соединение молекул жидкости в кластеры, и последующее направление вихревого кавитационного потока в емкость с жидкостью. При этом поток жидкости перед входом в вихревую трубу направляют через прорези, которые располагают под углом к центральной оси вихревой трубы по ее периметру, тангенциально закручивают посредством указанных прорезей и подвергают ультразвуковому облучению с последующим разрежением в условиях резонанса.
Дополнительно могут использовать прорези, которые располагают под углом 45° к центральной оси вихревой трубы по ее периметру. Для тангенциального закручивания потока могут быть использованы прорези любой сложной формы, например эллиптической.
Способ могут осуществлять с циркуляцией жидкости по замкнутому контуру и отбором тепловой энергии в теплообменник внешней системы теплопередачи.
В способе могут создавать дополнительное разрежение посредством выходных отверстий, которые могут выполнять на конце вихревой трубы, и всасывающего патрубка насоса, который могут располагать в емкости нагретой жидкости в зоне конца вихревой трубы.
Указанный технический результат достигается также за счет устройства для получения тепловой энергии, включающего емкость нагретой жидкости, вихревую трубу и насос подачи жидкости в вихревую трубу. При этом устройство включает установку ультразвуковых колебаний, вихревая труба помещена в емкость нагретой жидкости, а по периметру на входе в вихревую трубу расположены прорези.
Вход в вихревую трубу может быть выполнен в виде конуса, расположенного тангенциально по отношению к внутренним кромкам вихревой трубы.
На входе в вихревую трубу по ее центру может быть выполнено отверстие рециркуляции жидкости.
Вихревая труба может быть снабжена выходными отверстиями, при этом выходные отверстия могут быть по площади меньше, чем прорези, в 1,5 раза.
Устройство может дополнительно содержать циркуляционный насос, вход которого расположен в горячей зоне нагретой жидкости.
Устройство может дополнительно содержать теплообменник для отбора тепловой энергии во внешнюю систему теплопередачи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведена схема общего вида установки.
На фиг.2 приведена схема части устройства с соединениями вихревой камеры по предлагаемому способу.
На фиг.3 приведена схема вихревой камеры для нагрева жидкостей без верхней крышки, вид А.
Осуществление изобретения
Подачу нагретой жидкости по малому кольцу осуществляют путем отсасывания ее из устройства и обеспечивают благодаря этому снижение давления жидкости в устройстве.
Отсасывание нагреваемой жидкости из устройства насосом, подающим далее к устройству, ведет к снижению давления этой жидкости на выходе из устройства и частично внутри него. А это ведет к интенсификации кавитационных процессов в нем, так как последние идут тем интенсивнее, чем меньше статическое давление жидкости и чем больше перепад давлений между входом и выходом устройства. При неизменном давлении нагреваемой жидкости на входе в устройство, обеспечиваемом либо насосом, подающим эту жидкость в него, либо атмосферным давлением воздуха в сосуде для исходной жидкости (при отсутствии нагнетающего насоса), отсасывание нагретой жидкости из устройства ведет к повышению перепада давления между входом и выходом устройства. Под воздействием высокочастотного излучения происходит выход на резонансный режим.
В режиме резонанса нагрев воды происходит интенсивно. Все это ведет к интенсификации кавитационных процессов в устройстве, а следовательно, к повышению эффективности нагрева жидкости в нем. Кроме того, снижение давления нагреваемой жидкости в устройстве и создание в нем разрежения ведет к уменьшению напора этой жидкости на сальники или торцевые уплотнения насоса, что повышает ресурс их службы.
На фиг.1 в качестве примера приведен предпочтительный вариант осуществления способа и устройства для получения тепловой энергии посредством прокачивания жидкости насосом через трубу, подключенную к высокочастотному излучателю.
В этом варианте устройство включает камеру 1, трубопровод 2, корпус с жидкостью (емкость) 3, обратный трубопровод 4, электронасос 5, подающий трубопровод 6, циркуляционный насос 7, краны 8, дозатор 9, трубу вихревую 10, крепление 11 камеры к корпусу, установку ультразвуковых колебаний 12, теплообменник 21.
На фиг.2 показан пример осуществления части устройства резонансного типа с камерой 1, в которой смонтирован ультразвуковой излучатель 13 с конусом 14, фланцем 15, наклонным отверстием 16, отверстием 17, вихревой трубой 10, дозатором 9, отверстием 18.
На фиг.3 показана вихревая камера 1 со снятой крышкой, вид А, прорезями 16 под углом, отверстием 17, конусом 14, фланцем 15, корпусом 20.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
1. Жидкость, подлежащую нагреву (воду, трансформаторное масло, нефть, тосол или др.), наливают в сосуд для исходной жидкости, имеющий объем, больший, чем суммарный объем всех полостей устройства для нагрева жидкости и присоединенных к нему трубопроводов.
2. Заполняют жидкостью, подлежащей нагреву, все полости и трубопроводы устройства для нагрева жидкости, в состав которого входит вихревая труба.
3. Включают двигатель, который приводит в движение насос, нагнетающий нагреваемую жидкость в вихревую трубу, и обеспечивают за счет особенностей конструкции трубы вихревое движение этой жидкости в ней при максимально возможной в данной схеме интенсивности завихрения.
4. Одновременно насос осуществляет отсасывание нагретой жидкости из трубы и подачу ее в сосуд-накопитель нагретой жидкости. При этом необходимо использовать такой насос (например, центробежный или шестеренчатый), который может создавать разрежение в своем входном патрубке и понижать давление жидкости в отверстии выхода нагретой жидкости из трубы.
5. Включают установку ультразвуковых колебаний. Путем регулировки частоты колебаний в вихревой трубе получают резонансный кавитационный режим протекания жидкости через устройство.
6. Осуществляют нагрев жидкости до требуемой потребителю температуры за счет возвращения ее циркуляционным насосом по обратному трубопроводу из сосуда с нагретой жидкостью в сосуд для исходной жидкости и подачи ее по замкнутому контуру снова на вход устройства (трубы). У потребителя жидкость отдает часть своего тепла через теплообменник. Теплообменник может быть выполнен, например, в виде батареи, радиатора, пластичного теплообменника либо в любом другом виде.
Пример 1
Нагрев жидкости, указанной в таблице 1, осуществляют с помощью центробежного насоса с электродвигателем мощностью 5 кВт, напором 40 м и расходом 25 куб. м в час, производства КНР. Из залитой жидкостью емкости 2 через кран 8 (задвижку) она поступает на входной патрубок насоса 5, жидкость под давлением по трубопроводу 2 через кран (задвижку) 8 тангенциально подается в вихревую камеру 1 устройства через конус 14.
В вихревой камере 1 жидкость начинает вращаться, а попадая в прорези 16, получает ускорение. С большой скоростью четыре (и более) потока жидкости создают вихревой кавитационный эффекта вихревой трубе 10. По большому радиусу вихревой трубы 10 формируется горячий поток, который через отверстия 18 выходит в (емкость) 3 и одновременно попадает на входное отверстие электронасоса 5, который создает разрежение в вихревой трубе, способствуя образованию кавитации.
При работе электронасоса ваттметром определяем затраченную электрическую мощность W2, указанную в таблице 1, а также путем измерения трехфазным электросчетчиком количества электроэнергии, потребленной электродвигателем за время нагрева жидкости.
В результате периодических быстрых сжатий и расширений кавитационных парогазовых пузырьков происходит, в соответствии с законами термодинамики, трансформация энергии в тепловую, что и приводит к быстрому нагреву жидкости.
Как показали измерения многих ученых и исследователей (см. Семенов А., Стоянов П. Звукосвечение или свет, вырванный из вакуума. - Техника-молодежи, 1997, №3, с.4-5; и Маргулис М.А. Звукохимические реакции и сонолюминесценция. - М.: Химия, 1986. - 288 с., температура в центре охлопывающихся пузырьков может достигать многих тысяч градусов по Цельсию. Это приводит, как известно, к сонолюминесцентному свечению жидкостей. В кавитационных пузырьках нагреваемой жидкости идут термохимические реакции. Термохимические реакции сопровождаются выделением тепла, которое также идет на нагрев жидкости в предлагаемом устройстве. Энергия этих реакций является дополнительной к той энергии, которая выделяется при работе устройства.
Поэтому эффективность нагрева жидкости в заявляемом способе и устройстве (отношение получаемой тепловой энергии к затраченной электрической) превышает единицу. Известно, что при вращении жидкости, кроме кавитации, идут процессы синтеза молекул воды в кластеры, а при вращении они ускоряются в несколько раз с выделением тепловой энергии (см. Потапов Ю.С., Потапов С.Ю. Энергия вращения. К., 2002, 353 с.).
Таблица 1
Параметры и результаты к Примеру 1
По предлагаемому способу
По известному способу
Жидкость
W<sup>2</sup>, кВт
W<sup>3</sup>, кВт
Эффективность
W<sup>2</sup>, кВт
W<sup>3</sup>, кВт
Эффективность
Вода пресная
26
39
1.5
27
35.1
1.3
Вода морская
26
41.6
1.6
27
37.8
1.4
Тосол
27
45.9
1.7
28
42
1.5
Пример 2
Нагрев жидкости, указанной в таблице 2, осуществляют с помощью такого же устройства, как и в примере 1, с тем отличием, что корпус устройства выполнен из Ст 20, а вместо центробежного насоса 5 установлен шестеренчатый насос, приводимый во вращение электродвигателем мощностью 2,2 кВт. Все технологические операции нагрева рабочей жидкости и измерения осуществляют так же, как в примере 1. Сравнение с нагревом по известному способу осуществлялось так же, как в примере 1. Полученные данные и результаты измерений сведены в таблицу 2. После достижения в емкости 3 температуры жидкости, требуемой потребителю, включают циркуляционный насос 7, открывают кран 8 и подают жидкость к потребителю по трубопроводам 6 и 4. Жидкость отдает часть своего тепла потребителю, откуда возвращается по замкнутому контуру, частично охлажденной снова в емкость 3.
Тепловую мощность W3, генерируемую устройством, вычисляют по результатам измерений расхода нагреваемой жидкости, проходящей через устройство, измеряемого теплосчетчиком, установленным на трубопроводе 2, и результатами измерений термопарами, установленными на входе и выходе из устройства. Эффективность нагрева жидкости определяют как отношение W3/W2. Полученные данные вычислений и результаты вычислений занесены в таблицы 1-3.
Таблица 2
Параметры и результаты к Примеру 2
По предлагаемому способу
По известному способу
Рабочая жидкость
W<sup>2</sup>,<sup></sup>кВт
W<sup>3</sup>, кВт
Эффективность
W<sup>2</sup>, кВт
W<sup>3</sup>, кВт
Эффективность
Вода пресная
26
41.2
1.7
27
35.1
1.3
Нефть
22
39.6
1.8
30
48
1.6
Трансформ. масло
12
20.4
1.7
29
42.9
1.48
Пример 3
Нагрев жидкости, указанной в таблице 3, осуществляют с помощью части устройства, схема которой приведена на фиг.2. Это устройство выполнено из цельнотянутой трубы 10, приваренной к вихревой камере 1, изготовленной из Ст 45. К вихревой камере приварен конус 14 с фланцем 15, тангенциально конус 14 входит в вихревую камеру 1. Входное отверстие в конусе по площади сечения в восемь раз меньше, чем площадь сечения выходного патрубка насоса 5. В нижней части вихревой камеры 1 изготовлены четыре отверстия 16 под углом 45 градусов с наклоном по ходу вращения жидкости в вихревой камере 1. Площадь четырех отверстий 16 в тридцать раз меньше, чем площадь отверстия на выходе из насоса 5 (диаметр 37 мм). Четыре отверстия, выполненные в дозаторе 9, по площади меньше, чем отверстия 16, но больше, чем площадь отверстия 17, через которое проходит обратный поток жидкости. Внутренний диаметр вихревой трубы 10 равен 50 мм. Длина вихревой трубы 10 в десять раз больше диаметра (500 мм). К противоположному концу трубы 10 приварен дозатор 9 с четырьмя отверстиями 18, которые выполняют и роль гидравлического тормоза, спрямляя вращающийся поток жидкости.
Устройство по настоящему изобретению работает следующим образом. Жидкость из насоса 5 под давлением с определенной скоростью поступает через кран (задвижку) 8 в конус 14, где ускоряется. Затем она попадает в вихревую камеру 1, где начинается процесс ее закручивания с ускорением. Вращающаяся жидкость захватывается прорезями 16, сжимается, ускоряется и выбрасывается в вихревую трубу 10 с разрежением и образованием кавитации. Кроме двойного завихрения на жидкость воздействуют ультразвуком, что приводит к инициированию кавитации. При вращении жидкости в вихревой трубе 10 и вихревой камере 1 происходит соединение молекул в кластеры, вызывая повышение ее температуры. Синергетический эффект нагрева жидкости приводит к повышению эффективности способа и устройства более 1 (отношение получаемой тепловой энергии к вкладываемой электронасосом).
Полученные сравнительные данные, приведенные в таблице 3, показывают, что эффективность нагрева жидкости по заявляемому способу во всех случаях выше, чем по известному способу, несмотря на то, что для реализации заявляемых способа и устройства требуется два насоса, а не один.
Из таблицы 3 также видно, что особенно высока эффективность нагрева воды при резонансной кавитации и температуре, превышающей +63°С. Это полностью соответствует выводам о существовании пороговой температуры, описанной в способе-прототипе, защищенном патентом (4).
Таблица 3
Параметры и результаты к Примеру 3
По предлагаемому способу
По известному способу
Рабочая жидкость и ее температура
продолжительность работы, мин
продолжительность работы, мин
0
10
20
30
40
0
10
20
30
40
Вода, °СЭффективность
20
40
60
85
-
20
35
55
67
86
-
1.6
1.6
1.9
-
-
1.4
1.4
1.5
1.5
Тосол∗, °СЭффективность
20
45
67
93
-
20
40
60
85
-
-
1.7
1.8
1.9
-
-
1.5
1.6
1.6
-
Трансформ. масло, °СЭффективность
20
46
70
95
110
20
42
64
87
102
-
1.5
1.6
1.7
1.6
-
1.4
1.4
1.4
1.4