ТЕПЛОГЕНЕРАТОР ДЛЯ НАГРЕВА ЖИДКОСТЕЙ

Устройство относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах теплопотребления и горячего водоснабжения жилищно-коммунального хозяйства в качестве источника тепла, а также в других отраслях промышленности для нагрева жидкостей.
Известны различные способы нагрева жидкостей: способы с использованием сжигания органического топлива (уголь, газ, нефть и др.), получение тепловой энергии, выделяющейся при делении тяжелых ядер химических элементов, при слиянии легких ядер химических элементов, энергии, выделяющейся при слиянии вещества и антивещества, и способы, не использующие сжигание топлива или превращение одних химических элементов в другие с выделением свободной энергии, - нагрев электрическим током с использованием трубчатых электронагревателей (ТЭНов) или путем прямого нагрева токопроводящих жидкостей путем пропускания через них электрического тока с использованием электродов (электродные котлы), гидродинамические (струйные) и фрикционные способы, использующие кавитационно-вихревые режим работы и энергию трения, способы, использующие возобновляемую низкопотенциальную энергию окружающей среды (тепло грунта, воздуха, солнечное излучение).
Известно [1] устройство для нагрева проточной жидкости (Патент Российской Федерации RU 2220381, F24Н 1/20, 2003), в котором нагрев жидкости осуществляется с использованием ТЭНа. Недостатком известного устройства является низкая энергетическая эффективность процесса.
Известен [2] теплогенератор и устройство для нагрева жидкости (Предварительный Патент Республики Казахстан KZ 11877, F25B 29/00, G21В 1/00, 2002). Используемый в известном устройстве способ тепловыделения в жидкости основан на создании в ней и последующем схлопыванием микрополостей (кавитационных пузырьков), которые образуются в ходе вращения жидкости в циклоне, и использования импульсного прерывателя, обеспечивающего асинхронную подачу жидкости в выходной патрубок с импульсными скачками давления в корпусе и пространстве между корпусом и охватывающей его оболочкой. Изобретение основано на явлении вихревой кавитации.
Известен [2] способ нагрева жидкости (патент Российской Федерации RU 2116583, F24J 3/00), в котором для усиления кавитационного режима работы роторно-пульсационного аппарата на резонансной частоте пульсации потока жидкости через активные элементы аппарата осуществляется обработка потока жидкости акустическим полем в диапазоне частот пульсации потока жидкости 3,8-4,8 кГц. В данном изобретении используются явления вихревой и акустической кавитации.
Недостатком известных устройств является низкая энергетическая эффективность процессов.
Наиболее близким по физико-технической сущности и достигаемому результату является, выбранный в качестве прототипа, водонагреватель малой мощности [3] (Патент Российской Федерации RU 2042081, F22B 1/30, F24H 1/20, 1995), в котором процесс нагрева происходит посредством протекания электрического тока через теплоноситель, за счет его сопротивления (электродный нагрев).
Недостатком известного устройства является низкий коэффициент преобразования энергии (КПЭ).
Целью технического решения является повышение эффективности нагрева жидкости.
Задачами технического решения являются: значительное повышение коэффициента преобразования электрической энергии в тепловую.
Технический результат полезной модели - электродный котел с получением дополнительной тепловой энергии за счет акустической кавитации.
Это достигается тем, что в теплогенераторе, включающем герметичный корпус, в котором размещены электроды в виде многопластинчатого пакета, подключенного к источнику однофазного напряжения, выполненного из чередующихся нулевых и фазовых электродов, расположенных в центре корпуса, имеющие одинаковую площадь поверхности, размеры пластин определяются частотой собственных колебаний пластин пакета, равной или находящейся в ближайшей полосе частот к частоте источника однофазного напряжения.
Как видно из вышеизложенного, предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, отличными от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии данного решения критерию «новизна».
Использование пластин, размеры которых и расстояния между которыми позволяют иметь частоту собственных колебаний пакета пластин равной или находящуюся в ближайшей полосе частот к частоте источника однофазного напряжения, позволяет осуществить комбинированный режим работы аппарата - электродный нагрев в сочетании с нагревом за счет кавитационных процессов, возникающих из-за резонансных колебаний пластин в звуковом диапазоне частот, находящихся в резонансном или квазирезонансном режиме с частотой источника питания.
Наличие вышеперечисленных существенных признаков в предлагаемом теплогенераторе позволяет повысить коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую.
В результате проведенного поиска и последующего сопоставительного анализа совокупность признаков, отличающая предлагаемое техническое решение от прототипа, в известных устройствах не обнаружена, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «существенные отличия».
Далее сущность технического решения поясняется подробным описанием вариантов конструкции со ссылками на прилагаемые чертежи, где изображены:
на фиг.1 предлагаемый однофазный теплогенератор в поперечном разрезе с вертикальным расположением электродов;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
Теплогенератор для нагрева жидкостей включает герметичный корпус 1, в котором вертикально и с чередованием размещены нулевые электроды-пластины 2 и фазовые электроды-пластины 3, подсоединенные к тоководам 4. Электроды 2 и 3 выполнены в виде плоских прямоугольных металлических (например, из стали) пластин, размеры которых определяются частотой собственных колебаний пакета, равной или находящейся в ближайшей полосе частот к частоте источника однофазного напряжения. Электроды с соединены между собой в пакет, например, стальными болтами с использованием термоусадочный трубки, диэлектрических шайб и втулок. В корпусе могут устанавливаться три пакета пластин с целью подключения трехфазного источника напряжения, расположенных симметрично внутри корпуса 1. В нижней части корпуса 1 расположен входной патрубок 5, через который осуществляется подача жидкости в теплогенератор, а в верхней части корпуса 1 расположен выходной патрубок 6, через который нагретая жидкость поступает потребителю.
Теплогенератор работает следующим образом.
Корпус 1 теплогенератора заполнен нагреваемой жидкостью, которая поступает через входной патрубок 5. После заполнения системы жидкостью производится подключение пакета пластин через тоководы 4 к источнику питания переменного напряжения частотой, например, 50 Гц. Размеры пластин и расстояния между ними определяются путем математического моделирования таким образом, чтобы резонансная частота собственных колебаний пакета находилась в области частоты источника питания, с учетом мощности теплогенератора и физико-химических свойств используемой жидкости. Необходимо отметить, что частота собственных колебаний пакета пластин в жидкости отличается от частоты собственных колебаний в воздухе как отдельно взятой пластины, так и пакета в целом из-за наличия амортизирующих свойств и собственных резонансных частот крепежа, физико-химических свойств жидкости, качества сборки пакета пластин. Другими словами, геометрия пакета пластин должна быть тщательно выверена. Частоту собственных колебаний пластины и реальную резонансную частоту пакета пластин можно определить либо аналитическими методами с использованием различных программных комплексов (например, программные комплексы SELENA, ANSYS и др.), либо численными приближенными методами, либо экспериментальным путем.
После подключения электродов 2, 3 через тоководы 4 к источнику переменного напряжения в межэлектродных промежутках происходит ионизация жидкости - ее молекулы расщепляются на положительно и отрицательно заряженные ионы, которые в свою очередь устремляются к отрицательному и положительному электродам, соответственно, выделяя при этом тепловую энергию и передавая ее нагреваемой жидкости. При этом электролиза и переноса материала электродов не происходит, так как ионизация жидкости осуществляется переменным током.
Одновременно с этим, за счет того, что частота собственных колебаний электродов 2, 3 пакета пластин совпадает (резонансный режим) или находится в области резонанса (квазирезонансный режим) с частотой источника питания, в межэлектродных пространствах возникают поперечные колебания пластин. Это приводит к возникновению явления кавитации, следствием которого является дополнительное выделение тепла в жидкости не за счет запасенного в ней тепла (без изменения теплоемкости жидкости и ее структуры получение дополнительной тепловой энергии невозможно), а другой внутренней энергии жидкости, например, энергии межмолекулярных связей, межатомных и внутриатомных связей и даже, возможно, внутриядерных связей [4].
В результате использования процесса ионизации жидкости и явления кавитации наблюдается ускоренный нагрев жидкости и более высокий коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую.
Способ апробирован авторами. Сравнению подлежали способ нагрева жидкости (водопроводная вода), находящейся в открытой емкости, объемом 6 л, с использованием ТЭНа мощностью 650 Вт и пакета из 4-х стальных пластин 16×9,9×0,04 см с расстоянием между пластинами 2 см. В качестве источника питания использовалась электрическая сеть переменного напряжения 220 В частотой 50 Гц. Измерения проводились на специальном стенде с использованием лабораторного автотрансформатора регулируемого (ЛАТР), метрологически поверенных счетчика электрической энергии с подключенным к нему счетчиком импульсов, частотомера и измерителя косинуса фи. Вышеуказанные размеры пластин были приняты после проведения серии расчетов частоты собственных колебаний стальной пластины с различными размерами и способами закрепления. Для стальной пластины размерами 16x9,9x0,04 см первые частоты собственных колебаний в воздухе рассчитанные приближенным численным методом [5] и с использованием программного комплекса АРМ Structure 3D, при различных способах закрепления пластины находятся в диапазоне частот 21,2-132,7 Гц. Частота собственных колебаний пакета пластин 16×9,9×0,04 см и расстоянием между ними 2 см в сборе, находящегося в воде, определенная экспериментальным путем с использованием метода плавного изменения частоты синусоидальных колебаний в заданном диапазоне частот [6] составила 32, 75 Гц. В качестве источника гармонических синусоидальных колебаний использовался генератор сигналов низкой частоты, подключенный через усилитель мощности к фазовым и нулевым пластинам пакета. Вибрационная реакция пластин воспринимались специальным пьезодатчиком, изготовленным на базе промышленного пьезоизлучателя, подключенным через микрофонный/линейный предусилитель к миллиамперметру. Измерения проводились в диапазоне частот 20-1000 Гц.
Эффективность предлагаемого теплогенератора определялась путем сопоставления удельных расходов электроэнергии (Ауд) и полезных мощностей (Рпол) сравниваемых нагревателей, которые рассчитывались по известным формулам [7]:
Ауд=P/[L*(tк-tн)], кВт*ч/(л*°С),
где Р - присоединенная мощность, Вт; производительность нагревателя L=V*3600/τк, л/ч; tн и tк - начальная и конечная температура воды, (С; τк - время нагрева воды до tк, сек; С - удельная теплоемкость воды 4190 Дж/кг; (- плотность воды 1000 кг/м3.
Потребленная за время измерений электрическая энергия определяется, как:
Э=(N2-N1)/K, кВт*ч,
где N1 и N2 - начальное и конечное значения числа импульсов по счетчику импульсов; К=3200 имп/кВт*ч - коэффициент пересчета для заданного счетчика электрической энергии.
Присоединенная мощность рассчитывается по формуле:
Р=Э*1000*3600/τк, Вт.
Рпол=V*C*ρ*(tк-tн)/τк, Вт.
Коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую определяется по формуле: Кэт=Рпол / Р, а экономичность предлагаемого теплогенератора в сравнении с ТЭН рассчитывается как отношение удельных расходов электроэнергии ТЭНа и предлагаемого теплогенератора.
Результаты измерений и расчетов приведены в таблице. Анализ полученных результатов показывает, что даже при квазирезонансном режиме работы теплогенератора эффективность его в сравнении ТЭНом составляет:
- по коэффициенту преобразования электрической энергии в тепловую: 169,9% (предлагаемый теплогенератор) в сравнении с 99,2% (ТЭН);
- по удельному расходу электрической энергии предлагаемый теплогенератор эффективнее ТЭНав 1,71 раза.
ЛИТЕРАТУРА
1. Устройство для нагрева проточной жидкости (Патент Российской Федерации RU 2220381, F24H 1/20, 2003).
2. Теплогенератор и устройство для нагрева жидкости (Предварительный Патент Республики Казахстан KZ 11877, F25B 29/00, G21В 1/00, 2002).
3. Водонагреватель малой мощности (Патент Российской Федерации RU 2042081, F22B 1/30, F24H 1/20, 1995).
4. Смородов Е.А. Физика и химия кавитации /Е.А.Смородов, Р.Н.Галиахметов, М.А.Ильгамов; Ин-т механики УфимНЦ РАН. - М.: Наука, 2008.
5. Карпушин В.Б. Вибрации и удары в радиоаппаратуре. - М.: Изд-во «Советское радио», 1971.
6. ГОСТ Р 52862-2007 (МЭК 60068-2-65:1993) Методы испытаний на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Испытания на воздействие акустического шума (вибрация, акустическая составляющая). - М.: Изд-во «Стандартинформ», 2008.
7. Электрооборудование электротермических установок: методические указания/ сост.: Е.А.Печагин, Ж.А.Зарандия. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос.техн. ун-та, 2008.
Теплогенератор для нагрева жидкостей
Таблица
Результаты экспериментов и расчет удельного расхода электрической энергии
Наименование показателя
Нагреватель изобретения
ТЭН
Частота, Гц
49,98
50,03
Число импульсов по счетчику:
начальное
35
28
конечное
440
744
Коэффициент пересчета, имп/кВт*ч
3200
3200
Потребленная электроэнергия, кВт*ч
0,1266
0,2181
Присоединенная мощность, Вт
1168,3
672,3
Коэффициент мощности (косинус фи), о.е.
1
1
Начальная температура, °С
19,2
18,2
Конечная температура, °С
50,0
50,0
Время нагрева воды до tк, сек
390
1168
Время нагрева воды до tк, час
0,1083
0,3244
Производительность нагревателя, л/час
55,39
18,49
Полезная мощность, Вт
1985,4
684,5
Коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую, %
169,9
99,2
Удельный расход электрической энергии, Вт*ч/(л*°С)
0,6849
1,173