МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЙ БОЙЛЕР, МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ ДЛЯ УПРАВЛЯЕМОГО ЭНЕРГООБМЕНА В МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКОМ БОЙЛЕРЕ И ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В КАЧЕСТВЕ СРЕДЫ ЭНЕРГООБМЕНА В ОБЪЕКТАХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ
MAGNETOMECHANICAL BOILER, MAGNETIC FLUID FOR CONTROLLED ENERGY EXCHANGE IN MAGNETOMECHANICAL BOILER AND USE OF MAGNETIC FLUID AS ENERGY EXCHANGE MEDIUM IN THERMAL POWER FACILITIES

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано для теплоснабжения и электропитания отдельных потребителей от альтернативных или возобновляемых источников механической энергии - ветра, солнца, морских приливов, течения рек и т.п.
Известен ветровой теплогенератор (патент РФ №2484301), содержащий ветродвигатель с горизонтальной осью и вертикальным приводным валом, снабженный лопатками и корпус, внутри которого размещены цилиндр и змеевик, согласно изобретению цилиндр размещен в центре бочкообразного корпуса теплогенератора, имеет сверху крышку и лопатки, прикрепленные к его внутренней стенке, чередующиеся с лопатками, прикрепленными к валу теплогенератора. Металлический подвижный диск и косынки жестко прикреплены к нижней части вала, контактирующие с металлическим неподвижным диском, к которому на сварке прикреплен корпус теплогенератора, по образующей внутри которого установлен трубчатый змеевик с входным и выходным патрубками, выходящими через станину, расположенную сверху корпуса теплогенератора. К цилиндру, в нижней его части, прикреплено кольцо, внутренняя и нижняя части которого с зазором 0.5-1.0 мм контактируют с подвижным диском, а к наружной стенке цилиндра прикреплены лопатки. К змеевику, со стороны цилиндра, прикреплены на упругих пластинах прямоугольной формы ячейки, а на подъемном вертикальном участке выходного патрубка установлены ячейки, выполненные в виде цилиндров, заполнены ячейки теплоаккумулирующим веществом с фазовым переходом в области рабочих температур теплогенератора.
Недостатком известного ветрового теплогенератора является довольно сложная конструкция, большие габариты и низкая интенсивность энергообмена, что позволяет использовать ее только для снабжения потребителя горячей водой, нагретой до 70°C, при высокой ветровой нагрузке и скорости вращения вала теплогенератора, когда термогидравлическое преобразование энергии становится достаточно эффективным.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является тепловая гидроустановка (патент РФ №2204049) с использованием альтернативных источников механической энергии, содержащая приводной двигатель с вертикальным валом, снабженным роторным преобразователем, размещенным в баке с жидкостью и связанным с электромашиной, отличающаяся тем, что вал кинематически связан с гидронасосом и с ферромагнитным ротором малой конусности, размещенным внутри емкости избыточного давления, закрепленной внутри бака, частично заполненного магнитной жидкостью, и сообщающейся с выходящим патрубком гидронасоса, размещенного с возможностью погружения входного патрубка в магнитную жидкость. Боковые стенки емкости и ротора выполнены в виде сопрягаемых с зазором поверхностей, причем на поверхности ротора имеются спиральные каналы, а боковые стенки емкости образованы полюсными наконечниками обмотки возбуждения с круговой несквозной проточкой между полюсами, замкнутыми на постоянный магнит снаружи емкости. Емкость также снабжена редукционно-возвратным клапаном для циркуляции магнитной жидкости в заданном режиме между потребителями (нагревательная плита, отопление и пр.) и гидроустановкой с дросселем сливного патрубка бака. Кроме того, вал кинематически связан с ротором посредством обгонной муфты свободного хода, снабженной шкивом ременной передачи к мотор-генератору, подключенному к обмотке возбуждения тока подмагничивания и к локальной электрической сети.
В качестве магнитной жидкости используется отработанная смазочно-охлаждающая жидкость на масляной основе с мелкодисперсным магнитным шламом.
Существенным недостатком такой тепловой гидроустановки с магнитной жидкостью из отходов промышленного производства является ее слабый тепловой напор, ограничивающий интенсивность термомеханического энергообмена, и сложная конструкция с большим количеством магнитной жидкости, что затрудняет использование стандартных элементов электротехники и согласование с тяго-скоростными характеристиками альтернативного источника энергии.
Известна фирменная магнитореологическая жидкость производства концерна БАСФ АКЦИЕНГЕЗЕЛЬШАФТ, DE (патент РФ №2414764), содержащая а) по меньшей мере, одну масляную основу, выбранную из группы, состоящей из диалкилового сложного эфира дикарбоновой кислоты на основе прямоцепочечных или разветвленных жирных кислот с длиной цепи от четырех атомов углерода до десяти атомов углерода и прямоцепочечных или разветвленных спиртов с длиной цепи от четырех атомов углерода до десяти атомов углерода; насыщенных сложных полиолефинов на основе неопентилгликоля, или триметилолпропана, или пентаэритрита, полиолефинов и смесей названных выше диалкиловых сложных эфиров дикарбоновой кислоты и полиолефинов,
b) по меньшей мере, намагничивающуюся частицу, выбранную из группы, состоящей из тонкодисперсного порошка железа, такого как частицы железа, которые получены из порошка пентакарбонила железа, распыленного газом или водой порошка железа, порошка железа с покрытием и смесей вышеназванных намагничивающихся частиц;
n
x
c) по меньшей мере, один диспергатор, выбранный из группы, состоящей из диспергаторов на основе полимеров и сложных эфиров алкилфосфорной кислоты с длинноцепочечными спиртами или этоксилатами спиртов общей формулы R(EO), где n равен от 4 до 18, и x равен от 0 до 20, и
d) по меньшей мере, одно тиксотропное средство на основе гидрофобно модифицированных слоистых силикатов.
Такая магнитная жидкость имеет неприемлемо высокую стоимость до 1000$ за литр и предназначена для использования в различных трансмиссиях и подвижных уплотнениях в качестве средства для обеспечения высоких передаваемых напряжений сдвига в устройствах, выбранных из группы, включающей амортизаторы, сцепления, тормозные системы и управляемые устройства, а также выбранные из группы, состоящей из устройств для фитнеса, тактильных устройств, стопорных систем, элементов для адсорбции удара, систем электрического управления рулевой системы, систем электрического управления зубчатой передачей и систем электрического управления тормозной системы, уплотнений, протезов и подшипников..
Максимальная рабочая температура такой жидкости не превышает 150°C поэтому она не подходит для специализированных устройств интенсивного термомеханического энергообмена, таких как теплогенераторы, бойлеры и другие нагреватели с температурой магнитной жидкости выше 150°C и до 400-500°C.
Существенным недостатком такой тепловой гидроустановки с магнитной жидкостью из отходов промышленного производства является ее сложная конструкция с большим количеством магнитной жидкости, что затрудняет использование стандартных элементов электротехники и согласование с тяго-скоростными характеристиками альтернативного источника энергии.
Технической задачей заявляемого изобретения является уменьшение габаритов и стоимости устройства, повышение его технологичности, повышение надежности энергоснабжения автономных потребителей, повышение эффективности процесса энергообмена и теплопередачи, увеличение скорости и температуры нагрева теплоносителя и вещества теплоаккумулятора. Также технической задачей является разработка магнитной жидкости с обеспечением температуры выше 150°C и до 400-500°C, причем с возможностью применения не только в качестве среды управляемого теплообмена в заявляемом бойлере, но и в других системах теплоэнергетики.
Для решения поставленной задачи предлагается
Магнитомеханический бойлер, использующий альтернативные источники энергии ветра, волн и др. для вращения приводного вала ферромагнитного ротора и электрогенератора тока подмагничивания статорных обмоток теплогенератора, содержащий герметичный корпус, заполненный магнитной жидкостью, в которую погружен его ферромагнитный ротор с короткозамкнутыми обмотками и сквозными каналами циркуляции магнитной жидкости внутри корпуса теплогенератора. Корпус теплогенератора размещен в теплоизолированном баке, заполненном теплоносителем и снабженным патрубками теплогидравлической связи для включения в контур циркуляции теплоносителя между теплогенератором и потребителями тепловой энергии, на наружной цилиндрической поверхности ферромагнитного ротора выполнена дополнительная короткозамкнутая обмотка в виде омедненной цилиндрической поверхности, а на нижнем торце ферромагнитного ротора выполнены лопасти с возможностью вихревого перемешивания магнитной жидкости, при этом вал ротора гидроизолирован герметичным уплотнением от соосной пропеллерной мешалки теплоносителя теплоизолированного бака, на дне которого расположены теплоаккумулирующие емкости с легкоплавким веществом, обладающим фазовым переходом при рабочей температуре теплогенератора, кроме того, в ферромагнитном статоре дополнительно выполнены сквозные продольные пазы циркуляции магнитной жидкости только внутри герметичного корпуса теплогенератора вдоль рабочего зазора между ротором и статором с обмотками, часть которых через выпрямитель и нелинейное сопротивление подключены к электрогенератору тока подмагничивания, а оставшиеся - через выпрямитель и регулировочный резистор соединены с электроизмерительным прибором, отградуированным в единицах текущей мощности энергообмена в рабочем зазоре с магнитной жидкостью, передаваемой теплоносителю и теплоаккумулирующим емкостям.
В предлагаемом магнитомеханическом бойлере статорные обмотки теплогенератора могут быть соединены трехфазной «звездой», у которой две фазные обмотки через выпрямитель и нелинейное сопротивление подключены к электрогенератору, а третья фазная обмотка уложена с образованием сквозных продольных пазов статора и соединена через выпрямитель и регулировочный резистор с электроизмерительным прибором магнитоэлектрической системы, отградуированным в единицах мощности преобразования энергии в рабочем зазоре с магнитной жидкостью.
В предлагаемом магнитомеханическом бойлере статорные обмотки теплогенератора могут быть соединены в разомкнутый трехфазный «треугольник», у которого две фазные обмотки через выпрямитель и нелинейное сопротивление подключены к электрогенератору, а третья фазная обмотка уложена с образованием сквозных продольных пазов статора и соединена через регулировочный резистор с электроизмерительным прибором электромагнитной системы, отградуированным в единицах мощности преобразования энергии в рабочем зазоре с магнитной жидкостью.
Указанные теплоаккумулирующие емкости выполнены в виде сужающихся книзу емкостей или перевернутых вниз закрытых бутылей или канистр, заполненных легкоплавким термоаккумулирующим веществом в виде сплава битума и полиэтилена низкого давления с температурой плавления, пропорциональной его содержанию в этом сплаве.
Также предложен новый состав магнитной жидкости с новой сферой применения в теплоэнергетике для управляемого энергообмена в магнитомеханическом бойлере на основе дисперсной фазы в виде порошка ферромагнитного материала и дисперсионной жидкой среды с гелеобразующими добавками и стабилизатором, отличающаяся тем, что в качестве дисперсной фазы она содержит порошок ферросилиция, а в качестве дисперсионной среды - высокотемпературный жидкий теплоноситель и гелеобразующую добавку - аэросил, а также стабилизатор из смеси ацетата двухвалентной меди и плакирующей присадки медного порошка.
В частности, заявляемая магнитная жидкость может быть выполнена в виде мелкодисперсной суспензии из следующих компонентов, масс. %:
- порошок ферросилиция ФС15 от 40 до 60,
- аэросил А-300 2-5,
- порошок меди ПМС-1 от 5 до 10,
- ацетат двухвалентной меди 5,
- высокотемпературный кремнийорганический теплоноситель Софэксил ТСЖ-в, или Полиалкилбензоловый теплоноситель ТЛВ-330М, или масляный теплоноситель АМТ-300п - остальное.
Также заявляется новое применение магнитной жидкости в качестве среды энергообмена в объектах теплоэнергетики, выбранных из группы: тепловыделяющие элементы теплотехники, теплогенераторы, теплоаккумуляторы, системы управления ветродвигателями и гидродвигателями, системы электрического управления отводом тепла механических трансмиссий и ретардаров транспортных средств.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан продольный разрез магнитомеханического бойлера, на фиг. 2 - его поперечный разрез, на фиг. 3 представлена принципиальная схема бойлера на основе электродвигателя со статорными обмотками, соединенными трехфазной «звездой», на фиг. 4 представлена аналогичная схема с обмотками, соединенными в разомкнутый «треугольник», а на фиг. 5 изображен пример согласования тяго-скоростных характеристик пропеллерного и роторного ветродвигателей с различными характеристиками трения магнитомеханического бойлера.
Предлагаемый магнитомеханический бойлер (фиг. 1) содержит приводной вал 1 кинематической связи с альтернативным источником механической энергии, например роторным ветродвигателем, и кабель электрической связи 2 с его вспомогательным электрогенератором (показан на электрических схемах фиг. 3, 4). Этот маломощный электрогенератор обеспечивает подачу тока подмагничивания статорных обмоток 3 теплогенератора. Теплогенератор заполнен магнитной жидкостью 4, в которую погружен его ферромагнитный ротор 5 со сквозными каналами 6 циркуляции магнитной жидкости 4 внутри герметичного корпуса 7 теплогенератора, скрепленного с крышкой теплоизолированного бака 8. При описании заявляемого бойлера под теплогенератором следует понимать узел, в котором непосредственно генерируется тепло (корпус, ротор, статор, магнитная жидкость). Дополнительно к короткозамкнутым обмоткам ротора, уложенным в пазах ротора, на наружной цилиндрической поверхности ротора 5 теплогенератора выполнена короткозамкнутая обмотка 9 в виде омедненной цилиндрической поверхности. На нижнем торце ферромагнитного ротора выполнены лопасти 10 с возможностью вихревого перемешивания магнитной жидкости в режиме циркуляционного гидронасоса. Приводной вал ферромагнитного ротора изолирован герметичным уплотнением 11 корпуса 7 от соосной пропеллерной мешалки 12 в кольцевой насадке 13 бака 8, предназначенной для форсированной конвекции теплоносителя 14 в объеме бака 8. Патрубки теплогидравлической связи 15 бака 8 позволяют включить магнитомеханический бойлер в контур циркуляции теплоносителя между теплогенератором и потребителями тепловой энергии, например, с пищевой конфоркой и радиатором отопления (на чертеже не показаны).
На дне бака 8 расположены теплоаккумулирующие емкости 16, заполненные легкоплавким термоаккумулирующим веществом, обладающим фазовым переходом при рабочей температуре теплогенератора, в виде сплава битума и полиэтилена низкого давления с температурой плавления, пропорциональной его содержанию в этом сплаве. Емкости выполнены сужающимися книзу или перевернутых вниз закрытых бутылей или канистр, чтобы тепловыделяющие поверхности интенсивно омывались теплоносителем со всех сторон до низа бака.
В ферромагнитном статоре 17 дополнительно выполнены сквозные продольные пазы 18 циркуляции магнитной жидкости 4 только внутри герметичного корпуса 7 теплогенератора вдоль рабочего зазора между ротором 5 и статором 17 с обмотками 3, часть которых 19 через силовой выпрямитель 20 и нелинейное сопротивление 21 подключены к электрогенератору 22 тока подмагничивания (фиг. 3 и 4), а оставшиеся 23 - через измерительный выпрямитель 24 и регулировочный резистор 25 соединены с электроизмерительным прибором 26 магнитоэлектрической системы (фиг. 3, соединение фазных обмоток статора по схеме "звезда"), отградуированным в единицах текущей мощности энергообмена в рабочем зазоре с магнитной жидкостью 4 и передаваемой теплоносителю 14 внутри теплоизолированного бака 8.
Предлагается и новый состав магнитной жидкости 4 для управляемого энергообмена в магнитомеханическом бойлере на основе дисперсной фазы в виде порошка ферросилиция и дисперсионной жидкой среды, содержащей высокотемпературный жидкий теплоноситель и гелеобразующую добавку - аэросил, а также стабилизатор из смеси ацетата двухвалентной меди и плакирующей присадки медного порошка в следующей пропорции, масс. %:
1) порошок ферросилиция ФС15 от 40 до 60,
2) аэросил А-300 2-5,
3) порошок меди ПМС-1 от 5 до 10,
4) ацетат двухвалентной меди 2-5,
5) высокотемпературный кремнийорганический теплоноситель Софэксил ТСЖ-в, или Полиалкилбензоловый теплоноситель ТЛВ-330М, или масляный теплоноситель АМТ-ЗООп - остальное.
Исходным сырьем для получения ферромагнитной жидкости по данному изобретению является мелко просеянная фракция порошка ферросилиция с относительным содержанием кремния 10 - 20% и максимальным размером частиц 0,2 мм, который обычно используется для приготовления утяжеленных бурильных растворов или обогатительных суспензий в горнорудной промышленности.
Этот порошок смешивают при комнатной температуре с порошком ацетата меди и плакирующей присадкой медного порошка в вышеуказанной пропорции. Затем добавляется кремнийорганическая жидкость с аэросилом или заменяющим ее теплоносителем и смесь также тщательно перемешивается и растирается до получения однородной вязко текучей суспензии с консистенцией сметаны. Все компоненты предлагаемой магнитной жидкости используются в состоянии промышленной поставки без дополнительной обработки. В присутствии аэросила кремнийорганическая жидкость хорошо смачивает вводимые ингредиенты с образованием устойчивых пространственных структур ближнего порядка, обратимо восстанавливающихся после сдвигового деформирования даже при наличии сильного градиента температур вплоть до точки Кюри используемого ферромагнетика. Конкретное содержание компонентов выбирается из условия получения седиментационной и коагуляционной устойчивости системы, обеспечивающей стабильность энергообмена и эксплуатационных характеристик теплогенератора.
Предложенная магнитная жидкость апробирована экспериментально на опытном образце теплогенератора, изготовленного из герметичного электродвигателя во взрывозащитном исполнении.
Предлагаемая магнитная жидкость может найти применение в качестве управляемой среды энергообмена не только в магнитомеханическом бойлере, но и в других устройствах и системах теплотехники, например в тепловыделяющих элементах стиральных машин и теплоаккумуляторах вместо обычных электрических ТЭНов; в теплоснабжающих контурах теплоаккумуляторов и паровых котлов вместо ядерных ТВЭЛов; в системах электрического управления отводом тепла механических трансмиссий и ретардаров транспортных средств, в паровых котлах и т.п. (ТЭН-трубчатый электронагреватель; ТВЭЛ - тепловыделяющий элемент).
Работа предлагаемого бойлера происходит следующим образом:
При вращении приводного вала 1 альтернативным источником энергии, например роторным ветродвигателем Дарье, и подаче по кабелю 2 к обмоткам 3 электрического тока и напряжения, пропорциональных скорости вращения n (об/мин) его электрогенератора, в узком зазоре между статором 17 и ротором 5 теплогенератора возникает соответствующее магнитное поле, которое увеличивает динамическую вязкость находящейся там магнитной жидкости 4, что обуславливает появление тормозящего момента М ротора 5, приложенного к приводном валу 1 теплогенератора 7.
Начинается процесс преобразования механической энергии в тепловую с текущей мощностью, пропорциональной произведению скорости вращения n на тормозящий момент М (фиг. 5). Тепло образуется за счет трения между омедненной цилиндрической поверхностью короткозамкнутой обмотки ротора 5 и прилегающими слоями магнитной жидкости 4 и вязкого трения в самой магнитной жидкости. Благодаря лопастям 10 на нижнем торце ротора 5 происходит интенсивное перемешивание нагретой магнитной жидкости и ее циркуляция через сквозные каналы 6 ротора 5 и пазы 18 статора 17. Продольные пазы 18 статора могут быть образованы путем соответствующей укладки одной фазной обмотки, а при постановке эксперимента были образованы путем удаления из продольных пазов одной из секций трехфазной статорной обмотки 23, используемой лишь для измерения текущей мощности преобразования энергии при помощи измерительного выпрямителя 24 и прибора магнитоэлектрической системы 26, отградуированного при помощи резистора 25 в единицах тепловой или механической мощности, так как наводимое в этой укороченной обмотке 23 напряжение пропорционально магнитной индукции в рабочем зазоре, то есть тормозящему моменту, и угловой скорости вращения ротора 5. При этом оставшиеся обмотки 19 стандартного электродвигателя в герметичном взрывозащитном исполнении подключены к электрогенератору 22 тока подмагничивания через силовой выпрямитель 20 и нелинейное сопротивление 21, которое определяет характер магнитомеханической нагрузки теплогенератора и режим согласования работы всего бойлера с альтернативным источником механической энергии (фиг. 3).
Аналогичным образом работает и схема с разомкнутым «треугольником» фазных обмоток статора, в которой можно использовать измерительный прибор 27 электромагнитной системы без измерительного выпрямителя 24 (фиг. 4).
В процессе работы омедненная поверхность ротора будет постепенно изнашиваться за счет фрикционного действия магнитной жидкости, однако плакирующая присадка медного порошка в магнитной жидкости тут же наносит новый слой меди на эту поверхность вновь, тем самым компенсируя износ, как и на внутренней поверхности ферромагнитного статора, что практически полностью ликвидирует износ деталей теплогенератора.
Вырабатываемое им тепло через стенку 7 теплогенератора передается теплоносителю 14, например водному раствору антифриза, который также интенсивно перемешивается внешней пропеллерной мешалкой 12, расположенной внутри кольцевой насадки 13. Таким образом обеспечивается подача тепла теплоаккумулирующим емкостям 16, заполненных легкоплавким теплоаккумулирующим веществом, например сплавом битума и полиэтилена низкого давления с температурой плавления, пропорциональной его содержанию в этом сплаве, который совершает фазовый переход из твердого в жидкое состояние, запасая тепловую энергию. Кроме того, теплоноситель 14 через патрубки 15 может подаваться непосредственно потребителям тепла, например радиаторам отопления, конфорке подогрева пищи, в систему горячего водоснабжения и т.п.
Состав легкоплавкого теплоаккумулирующего вещества был получен экспериментальным путем из дешевых материалов с точкой плавления между точкой плавления битума (60°C) и полиэтилена низкого давления (150°C).
р
При слабом ветре или его отсутствии теплоаккумулирующее вещество в емкости 16 начнет отдавать обратно аккумулированное тепло циркулирующему в теплоизолированном баке 8 теплоносителю, например антифризу, обеспечивая тем самым бесперебойность энергоснабжения. При достижении ветром достаточной силы процесс преобразования механической энергии в тепловую возобновится в заранее заданном режиме, так как нелинейное сопротивление 21 формирует степенную характеристику вязкого трения, которая пересекает тяго-скоростную характеристику альтернативного источника энергии только в одной заданной точке оптимального режима (кривая III). Тогда как собственная нагрузочная характеристика магнитной жидкости в постоянном магнитном поле (кривая I) и даже линейная характеристика электрогенератора 22 (кривая II) не обеспечивают самозапуск и устойчивую работу альтернативного источника энергии и его нагрузки. Тогда как простой заменой или регулировкой нелинейного сопротивления 21 можно обеспечить практически любой характер трения нагрузки вплоть до стабильного вращения на заранее заданных оборотах n.
Предлагаемый магнитомеханический бойлер несложен по конструкции, прост в эксплуатации и обладает небольшими габаритами благодаря тому, что несколько кубических сантиметров высокотехнологичной магнитной жидкости в рабочем зазоре между ротором и статором его теплогенератора способны вырабатывать такую же мощность, как и двигатель внутреннего сгорания автомобиля с рабочим объемом 1,5-2 литра.
Промышленная применимость предложенного устройства и магнитной жидкости в новой области - теплоэнергетике обеспечена использованием самого дешевого ферромагнетика - ферросилиция как среды энергообмена в стандартной конструкции асинхронного взрывозащищенного электродвигателя, который является основным элементом теплогенератора и магнитомеханического бойлера, хорошо согласующегося с альтернативными источниками легко доступной механической энергии.