СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PRODUCTION OF THERMAL ENERGY AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к энергетике, в частности к способам получения тепловой энергии, и может быть использовано при создании теплоэнергетических систем.
Известен способ нагрева жидкости, использующий энергию ядерных реакций при схлопывании кавитационных пузырьков, в котором для достижения высокой скорости схлопывания кавитационных пузырьков кавитационную зону формируют в жидкости при статическом давлении 0,5-2,5 МПа (5-25 атм) с возбуждением в жидкости колебаний давления с пиком давления до 40 МПа (400 атм) [А.Ф. Кладов. Способ получения энергии, патент РФ № 20546604 от 20.02.1996 по заявке № 93033524/25 от 02.07.1993, МПК F24J 3/00, G21B 1/00]. В данном способе нагрев жидкости сопровождается резким увеличением радиационного фона, что делает его небезопасным для окружающей среды.
Известны также способы получения тепловой энергии, при использовании которых не происходит увеличение радиационного фона.
Известен способ получения тепловой энергии из механической с аккумулированием полученной тепловой энергии жидкостью за счет ее контакта с нагревающимися рабочими органами теплогенератора. Устройством, реализующим такой способ, является, например, фрикционный нагреватель [М.Г. Добров. Фрикционный двигатель, авт. св. СССР № 1627790 от 15.02.1991 по заявке № 4694602/06 от 24.05.1989, МПК F24J 3/00], в котором нагрев рабочих органов осуществляется в результате трения торцевых поверхностей вращающегося и неподвижного дисков, погруженных в бак теплоаккумулятора, заполненный нагреваемой жидкостью. Утилизация выработанной тепловой энергии может быть осуществлена с помощью теплоэнергетических установок, содержащих теплообменники, тракты нагреваемой и подводимой к потребителю жидкости, гидравлические насосы с приводами, трубопроводы и гидравлическую арматуру. Теплогенератор работает в режиме, близком к ламинарному, и поэтому весьма надежен в эксплуатации. Однако он имеет низкую удельную мощность и низкую теплопроизводительность, при этом количество полученной тепловой энергии эквивалентно количеству подведенной механической энергии.
Известен также способ нагрева газа и жидкости за счет вихревого эффекта, при котором осуществляется перекачка энергии от центральной области потока к периферии и разделение потока на холодную и горячую части, последняя из которых может быть использована для теплоснабжения [Ю.С. Потапов. Теплогенератор и устройство для нагрева жидкости, патент РФ № 2045715 от 10.10.1995 по заявке № 93021742/06 от 26.04.1993, МПК F25J 29/00].
Известен также способ получения тепловой энергии, включающий в себя силовое воздействие на материальное тело при его перемещении, по крайней мере, на части пути движения [Ю.А. Бауров, Г.А. Беда, И.П. Даниленко, В.М. Огарков. Способ получения энергии устройство его осуществления, патент РФ № 2147696 от 20.04.2000 по заявке № 98111700 от 18.06.1998, МПК F03G 7/00, Н05Н 1/54]. В известном способе в активной зоне силовое воздействие производят на вещество, вся масса которого находится в плазменном агрегатном состоянии, при этом формируют стационарное плазменное образование в виде тора, а вещество в плазменном состоянии поддерживают, пропуская его через электродуговой или иной плазменный генератор. Для своей реализации известный способ требует использования плазменных генераторов мощностью до 1 МВт и выше, что ограничивает применение данного способа высокоэнергетическими установками типа ракетных двигателей. Для малоэнергетических систем, например систем теплоснабжения отдельного дома или отдельно стоящей группы зданий, данный способ неприемлем, так как невозможно поддерживать в устойчивом состоянии маленький плазменный тор.
Известен целый ряд теплоэнергетических установок, в которых для производства тепла используется кавитация. Большинство из них имеют заполненный жидкостью циркуляционный контур, в котором установлены горизонтальный центробежный насос, теплогенератор, включающий в себя устройство для образования кавитационной зоны, и устройство отбора тепла потребителю (см., например, А.Ф. Кладов. Способ получения энергии, патент РФ № 20546604 от 20.02.1996). Эффективность теплообразования (генерирование тепловой энергии больше, чем энергии, подведенной к установке) в известных установках осуществляется за счет ядерных реакций при схлопывании кавитационной каверны, что делает эти установки экологически небезопасными.
3
Известен способ получения тепловой энергии [Ю.А. Бауров, А.Ю. Бауров, А.Ю. Бауров (мл.), Т.Ш. Дел, С. Шарп, В.А. Солодовников, Патент РФ № 2251629 от 10.05.2005 по заявке №2004120461 от 6.07.2004, МПК F03G 7/00], включающий в себя силовое воздействие на материальное тело при его перемещении по крайней мере на части пути движения. В качестве материального тела используют жидкость, активную зону пространства формируют в жидкости в виде кавитационной зоны с наложением на кавитационную зону магнитного поля, перемещают жидкость, прошедшую активную зону, по контуру, при этом по крайней мере на части траектории жидкость перемещают вдоль градиента гравитационного поля Земли с формированием в контуре за активной зоной восходящего и нисходящего потоков жидкости, в восходящем потоке контура жидкость перемещают вверх с перепадом высот не менее 2,6 м, для движения жидкости в контуре используется центробежный насос с удельными затратами энергии Y (Вт/л) в одной ступени насоса, удовлетворяющими соотношению 0<Y<39-3X, где X - количество ступеней центробежного насоса, формируют восходящий поток жидкости непосредственно над центробежным насосом. Данный способ по своей технической сущности является аналогом к заявляемому, но он требует заполнения в контур объема воды не менее 0,2 м, величина которого никак не связанного с мощностью центробежного насоса и, следовательно, не оптимизированного по мощности насоса. Кроме того, в этом способе не указаны оптимальные габариты контура жидкости с точки зрения получения максимальной величины коэффициента преобразования электрической энергии в тепловую (К).
Способы нагрева жидкости [Yu.A. Baurov et. al. EP 2742238 A2, Water heating system for a swimming pool. или Yu.A. Baurov et. al. EP 2748539 A2, A Subsoil heating system.] по своей технической сущности является также аналогами к заявляемому и отличаются от [Ю.А. Бауров, А.Ю. Бауров, А.Ю. Бауров (мл.), Т.Ш. Дел, С. Шарп, В.А. Солодовников, Патент РФ № 2251629 от 10.05.2005] только спецификой нагрева воды для бассейнов и нагрева почв в теплицах соответственно.
o
o
3
Известен способ получения тепловой энергии [Бауров Ю.А., Абрамян A.A., Солодовников В.А, Бауров А.Ю., Бауров А.Ю. (мл.), Патент РФ. № 2374571 от 27.11.2009 по заявке № 2008137000 от 16.09.2008, МПК F24J 3/00], включающий в себя силовое воздействие на материальное тело при его перемещении по крайней мере на части пути движения. В качестве материального тела используют жидкость, активную зону пространства формируют в жидкости в виде кавитационной зоны с наложением на кавитационную зону магнитного поля, перемещают жидкость, прошедшую активную зону, по контуру, при этом по крайней мере на части траектории жидкость перемещают вдоль градиента гравитационного поля Земли с формированием в контуре за активной зоной восходящего и нисходящего потоков жидкости, в восходящем потоке контура жидкость перемещают вверх с перепадом высот не менее 2,6 м, для движения жидкости в контуре используется центробежный насос с удельными затратами энергии Y (Вт/л) в одной ступени насоса, удовлетворяющими соотношению 0<Y<39-3X, где X - количество ступеней центробежного насоса, формируют восходящий поток жидкости непосредственно над центробежным насосом с производительностью, удовлетворяющей соотношению (V/w)≥0,003 ч, где V - объем жидкости в контуре, w - производительность насоса, м/ч.
4
Кроме того, весь контур жидкости вытягивают в виде цилиндра с диаметром более 0,08 м, но менее или равным 0,1 м. При этом контур жидкости создают многосвязанным с общей площадью излучения S≤KW/(εσT), где К - коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую; W - мощность насоса; ε - коэффициент излучения внешней поверхности труб; σ - постоянная Стефана-Больцмана; Т - температура внешней поверхности трубы.
В установке для получения тепловой энергии, содержащей заполненный жидкостью циркуляционный контур, в котором установлены горизонтальный центробежный насос, циркуляционный контур, заполненный жидкостью, расположен вертикально выше центробежного насоса и включает в себя соединенные между собой, лежащие в одной вертикальной плоскости трубопроводы восходящего и нисходящего потоков жидкости, плавно сопряженные между собой в верхней точке с высотой не менее 2,6 м, при этом установка оснащена охватывающим кавитационную зону источником магнитного поля, а контур жидкости сформирован металлической трубой с внутренним диаметром цилиндра более 0,08 м, но менее или равным 0,1 м. При этом трубопровод восходящего потока жидкости выполнен высотой не более 5 м. Источник магнитного поля установлен на рабочем колесе центробежного насоса. Кроме того, контур жидкости выполнен охватывающим площадь отопляемого помещения. Данный способ по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемому и может служить прототипом.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, являются увеличение коэффициента преобразования электрической энергии в тепловую К, увеличение общего выхода тепловой энергии, используя оптимальную скорость перемещения воды в восходящем контуре, а также оптимизация расположения оборудования и контура жидкости при применении способа для обогрева высотных и многоквартирных домов, уменьшение стоимости тепловых установок.
Поставленные технические задачи решаются тем, что в известном способе получения тепловой энергии, включающем в себя силовое воздействие на материальное тело при его перемещении, в качестве материального тела используют жидкость, при этом по крайней мере на части траектории жидкость перемещают вдоль градиента гравитационного поля Земли с формированием в контуре восходящего и нисходящего потоков жидкости, для движения жидкости в контуре используют центробежный насос, формируют восходящий поток жидкости непосредственно над центробежным насосом, согласно изобретению движение жидкости в восходящем потоке контура формируют со скоростью 1,2 м/с ± 0,5 м/с при перепаде высот в контуре более 5 м, восходящий и нисходящий поток формируют с помощью труб с внутренним диаметром более 0,09 м, но менее 0,11 м. Кроме того, при обогреве больших многоэтажных домов восходящий поток формируют с помощью нескольких труб, оси которых расположены на расстоянии не менее 0,2 м друг от друга, а нисходящий поток формируют с помощью труб с суммарной площадью внутреннего сечения большей, чем площадь внутреннего сечения восходящих труб. После фланца центробежного насоса устанавливают пластину с отверстиями, обеспечивающими максимум величины К×W, где К - коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую, W - потребляемая насосоам мощность электрической энергии. Кроме того, вместо центробежного насоса восходящий поток формируют с помощью погружного насоса.
Применительно к установке для получения тепловой энергии поставленные технические задачи решаются тем, что в установке для получения тепловой энергии, содержащей заполненный жидкостью циркуляционный контур, в котором установлены центробежный насос, циркуляционный контур, заполненный жидкостью, расположен вертикально выше центробежного насоса и включает в себя соединенные между собой трубопроводы восходящего и нисходящего потоков жидкости, контур жидкости сформирован трубой с внутренним диаметром цилиндра более 0,09 м, но менее 0,11 м, трубопровод восходящего потока жидкости выполнен высотой более 5 м. Трубопровод может содержать несколько восходящих потоков, формируемых трубами, оси которых расположены на расстоянии не менее 0,2 м друг от друга. После фланца центробежного насоса установлена пластина с отверстиями, обеспечивающими максимум величины К×W, где К - коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую, W - потребляемая насосом мощность электрической энергии. Трубы циркуляционного контура изготовлены из стали или из пластика.
Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от известных изобретений, в которых использовалось явление кавитации вакуумных пузырьков, в данном изобретении активная зона формируется без кавитации при оптимальной скорости движения в восходящем потоке циркуляционного контура.
Проведенные эксперименты [Ю.А. Бауров. Известия РАН. Серия Физическая, 2017, том 81, № 6, с. 835] позволили уточнить размеры диаметра восходящей трубы, приводящей к максимуму выделения тепловой энергии. Поэтому патентуется диапазон диаметров (0,09-011 м). Таким образом, деление размера 0,1 м на время 0,1 с дает оценку оптимальной скорости движения жидкости в восходящем потоке. Эксперименты показали, что, если движение будет с большей скоростью, эффект будет слабее. При нагреве жидкости в контуре скорость перемещения в восходящем контуре элементарных частиц будет меняться из-за образования парогазовой смеси при температуре около 100°С. Поэтому патентуется диапазон скоростей 1,2 м/с ± 0,5 м/с. Во множестве экспериментов, проведенных в Италии (2012-2015 гг.) и России (г. Новоросийск, 2015 г.), экспериментально показано, что при увеличении высоты установки до 5 м и выше коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую (К) возрастает.
Если планируется обогрев многоэтажных, многоквартирных домов, то восходящих потоков может быть несколько, исходя из величины отопляемой площади. Эксперименты показали, что в восходящих трубах расстояние между осями труб должно быть не менее 0,2 м для получения максимума величины К.
Для получения максимума тепловой энергии от конкретного центробежного насоса сразу за фланцем центробежного насоса устанавливают пластину с отверстиями, обеспечивающими оптимальную скорость движения жидкости в восходящем потоке, что соответствует максимуму величины К×W, где К - коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую, W - потребляемая насосом мощность электрической энергии.
Все стандартные электронасосы используют электродвигатель, который рассеивает около 15% тепла вне контура жидкости. Если для движения жидкости использовать погружной насос, находящийся в жидкости, то все рассеянное тепло останется в жидкости и величина К при всех равных прочих условиях возрастет на 15%.
Реализация циркуляционного контура для данного способа и предлагаемой установки может быть организована на базе стальных труб (обычная сталь, нержавеющая сталь для пищевой промышленности и т.д.), а также пластиковых труб, которые значительно снижают цену установки и упрощают ее монтаж (вес конструкции уменьшается около двух раз).
На чертеже приведена принципиальная схема теплоэнергетической установки, реализующей предлагаемый способ.
Установка включает в себя трубы с восходящим потоком 1 и нисходящим потоком 2, плавно сопряженные между собой, образующие циркуляционный контур. При этом величина внутреннего диаметра труб 3 равна от 0,09 м до 0,11 м. Циркуляционный насос 4 обеспечивает циркуляцию жидкости в замкнутом контуре. Клапан 5 обеспечивает выпуск воздуха из замкнутого контура при запуске из внешней систем 6 жидкости, объем которой контролируется датчиком 7. Для осуществления оптимальной скорости движения жидкости в восходящем контуре сразу после выходного фланца насоса устанавливают пластину 8 с отверстиями, обеспечивающими скорость движения жидкости в диапазоне значений 1,2 м/с ± 0,5 м/с. При этом высота восходящего контура должна быть более 5 м. В циркуляционной системе подключают патрубок 9 для выхода теплой жидкости во внешний контур и патрубок 10 для входа остывшей жидкости в циркуляционный контур.
В соответствии с предлагаемым способом получение тепловой энергии осуществляется следующим способом. Из металлической трубы с внутренним диаметром более 0,09 м, но менее 0,11 м формируют контур жидкости с восходящим и нисходящим потоками жидкости, сразу за фланцем центробежного насоса устанавливают пластину с отверстиями, обеспечивающую скорость движения жидкости от 0,7 м/с до 1,7 м/с и максимум величины К×W, где К - коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую, W - потребляемая насосом мощность электрической энергии. При этом высоту восходящего участка контура создают более 5 м для получения большего количества тепловой энергии. Для уменьшения тепловых потерь в установке используют погружной насос. Для уменьшения финансовых затрат и величины трения трубы изготавливают из пластика.