УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВУЮ Российский патент 1997 года по МПК H05B6/10 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в автономных системах отопления и горячего водоснабжения, в частности при использовании энергии ветра.

Известны устройства, преобразующие механическую энергию в тепловую, для ветротепловых установок [1 и 2] с поршневым компрессором для сжатия воздуха, играющего роль теплоносителя, нагреваемого в процессе его сжатия. Конструктивно эти устройства достаточно сложны, и их к.п.д. преобразования механической энергии в тепловую весьма мал.

Известны устройства для преобразования механической энергии в тепловую [3 и 4] с жидким теплоносителем, преимущественно водой, в т.ч. для ветротепловых установок [5] Нагрев воды (или другого жидкого теплоносителя) в них происходит за счет энергии торможения вращающихся конструктивных элементов, соприкасающихся с водой, создающих вихреобразование и повышающих давление в замкнутых объемах, заполненных нагреваемой водой.

К недостаткам этих устройств относятся: низкая эффективность преобразования механической энергии в тепловую, недостаточная долговечность из-за необходимости усиления сальников (уплотнений) повышенного давления и повышенная металлоемкость.

Известен фрикционный преобразователь механической энергии в тепловую [6] который включает в себя два диска неподвижный и вращающийся, причем последний может вращаться с переменной частотой, контактируя при этом с неподвижным диском. Благодаря трению между дисками генерируется тепловая энергия, которая передается жидкости, циркулирующей в центральной камере с дисками и змеевиковым теплообменником. Воздух, подаваемый в корпус генератора вентилятором, нагревается при контакте с теплообменником и выходит наружу.

К недостаткам фрикционного преобразователя относятся: низкий коэффициент полезного преобразования механической энергии в тепловую, в частности из-за использования двойной теплопередачи от дисков к жидкому теплоносителю и от последнего к воздушному, а также недостаточная долговечность из-за наличия сальниковых уплотнений и повышенного износа трущихся дисков.

Можно полагать, что из-за серьезных недостатков перечисленных выше устройств, они не нашли широкого практического применения и не могут конкурировать с системами преобразования механической энергии в тепловую с промежуточным автономным электромеханическим звеном электрогенератором любой известной конструкции, обеспечивающим электропитание резисторного нагревателя.

Известен преобразователь механической энергии ветра в тепловую энергию [7] который содержит неподвижный внутренний явнополюсный статор, возбуждаемый переменным током, и внешний металлический ротор, соединенный с валом ветродвигателя. При вращении последнего в металлическом роторе усиливается интенсивность вихревых токов, вызванных переменным магнитным полем возбуждения, которые нагревают этот ротор, а также усиливается теплообмен между внешней поверхностью вращающегося ротора и нагреваемой окружающей его воздушной средой.

К недостаткам этого устройства для преобразования механической энергии в тепловую с индукционным нагревом вращающегося ротора следует отнести:
необходимость внешнего источника переменного электрического тока для возбуждения полюсов неподвижного статора;
необходимость дополнительных мер безопасности в системе теплоотдачи от вращающегося ротора к нагреваемому воздуху;
недостаточный коэффициент преобразования энергии возбуждения к механической энергии ветра в тепловую.

Известны также устройства преобразования механической энергии в тепловую с индукционным нагревом теплоотдающих элементов за счет вихревых токов и жидким теплоносителем [8]
За прототип принято устройство преобразования механической энергии в тепловую [9] использующее нагрев подвижной среды, обтекающей греющий элемент, в котором механическая энергия преобразуется в энергию вихревых токов. Устройство содержит составной подвижный магнитопровод с постоянными магнитами, в немагнитном зазоре которого расположена неподвижная оболочка из электропроводящего материала, являющаяся греющим элементом. При механическом перемещении постоянных магнитов относительно оболочки в последней возникают вихревые токи, и выделяется соответствующая тепловая энергия, подогревающая обтекающую ее подвижную среду, циркулирующую в объеме с сальниковыми уплотнениями.

К недостаткам прототипа следует отнести:
повышенную конструктивную сложность из-за наличия подвижных и неподвижных поверхностей, ограничивающих объем, в котором происходит теплообмен между неподвижной оболочкой и подвижной средой; при использовании жидких сред в устройстве-прототипе неизбежны сальниковые уплотнения, снижающие его долговечность;
наличие в составном магнитопроводе достаточно большого немагнитного зазора, обусловленного размерами двух зазоров между неподвижной оболочкой и внутренними поверхностями магнитопровода с постоянными магнитами и толщиной самой оболочки, что приводит к повышенному расходу дорогостоящих магнитотвердых материалов.

Кроме того, конструкция устройства-прототипа технологически сложна при его изготовлении и сборке.

Проведенный анализ устройств для преобразования механической энергии в тепловую свидетельствует о необходимости создания устройства преобразования механической энергии в тепловую, имеющего более простую конструкцию, обладающего большей долговечностью и имеющего меньший расход дорогостоящих магнитотвердых материалов.

Это достигается в предлагаемом устройстве для преобразования механической энергии в тепловую, использующем нагрев подвижной среды (в частности воды), обтекающей греющие элементы, в которых механическая энергия преобразуется в энергию вихревых токов. Предлагаемое устройство содержит составной магнитопровод с постоянными магнитами и неподвижную оболочку из электропроводящего материала, отличающееся тем, что одна из составных частей магнитопровода выполнена в виде многостержневого шихтованного сердечника с общим ярмом, а неподвижная оболочка представляет собой замкнутую полую камеру со сквозными каналами в ней для свободного размещения в этих каналах шихтованных стержней магнитопровода и имеющую входные и выходные патрубки для подвижной нагреваемой среды, например воды. Внутри оболочки на внешней стороне сквозных каналов установлены замкнутые электропроводящие кольца произвольной формы.

На фиг. 1 и 2 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства с различным выполнением составного магнитопровода.

Устройство преобразования механической энергии в тепловую (фиг. 1) содержит неподвижный шихтованный из электротехнической стали сердечник 1, например с четырьмя стержнями 2 прямоугольного сечения, ориентированных горизонтально, и подвижный ферромагнитный якорь 3 с 6-ю постоянными магнитами 4 переменной полярности. Этот якорь 3 может совершать под действием внешних сил вертикальное возвратно-поступательное движение. Между торцевой плоскостью сердечников 2 и поверхностью постоянных магнитов 4 устанавливается постоянный по величине и достаточно малый воздушный зазор 5, позволяющий свободное возвратно-поступательное линейное движение якоря 3 с магнитами 4. На стержневых сердечниках 2 установлена оболочка 6 с входным нижним 7 и верхним выходным 8 патрубками для циркулирующей нагреваемой воды и сквозными горизонтальными каналами 9, для свободного размещения в них стержней сердечника 2 магнитопровода 1. Внешние стенки 10 теплообменника 6 и образующие стенки 11 сквозных каналов 9 могут выполняться как из изоляционного (например, прочной пластмассы), так и электропроводного материала (например, алюминия или нержавеющей стали). Вокруг каналов 9 на их внешней стороне внутри оболочки 6 устанавливаются замкнутые контуры 12 произвольной конфигурации (например, в виде полого цилиндра), выполненные из электропроводящего материала с высокой электропроводимостью.

Составной шихтованный магнитопровод (фиг. 2) с витым ярмом 1 имеет, например, шесть сердечников прямоугольной формы с полюсными наконечниками, якорь в виде ферромагнитного диска 3 с шестью переменнополюсными постоянными магнитами 4 или электромагнитами. Между поверхностью этих магнитов 4 и торцевыми плоскостями сердечников 2 имеется воздушный зазор 5 малой величины. На стержневые сердечники 2 надета замкнутая камера-теплообменник 6 с входным 7 и выходным 8 патрубками для циркулирующего в ней жидкого теплоносителя (воды) и горизонтальными сквозными каналами 9, в которых установлены сердечники 2. Аналогично устройству, представленному на фиг. 1, стенки 10 камеры-теплообменника и каналов 11 могут выполняться из электропроводящего или изоляционного материалов, если внутри камеры 6 вокруг каналов 9 устанавливаются электропроводящие контуры 12 произвольной формы.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. В рабочем режиме оболочка-камера 6 заполняется, например, водой и соединена через входной 7 и выходной 8 патрубки с системой, в которой циркулирует нагреваемая жидкость (например, с системой отопления). При возвратно-поступательном движении якоря 3 с постоянными магнитами 4 (фиг. 1) или круговом движении дискового якоря 3 с постоянными магнитами 4 (фиг. 2) относительно неподвижных сердечников 2 магнитопровода 1, в каждом из этих сердечников происходит периодическое изменение магнитного потока с частотой, пропорциональной скорости движения якоря.

В соответствии с законом электромагнитной индукции в любом замкнутом контуре вокруг каждого сердечника 2 при изменении магнитного потока наводится соответствующая э. д. с. вызывающая в каждом контуре электрический ток. Величина этого тока зависит от величины э.д.с. и электрического сопротивления замкнутого контура, в основном резисторного, т.к. индуктивное сопротивление замкнутого контура с числом витков, равным единице достаточно мало. Возникшие токи в замкнутых контурах вокруг каждого сердечника 2 противодействуют изменению магнитных потоков в них и создают адэкватные тормозные усилия или тормозные электромагнитные моменты, пропорциональные сумме всех контурных токов и определяющие механическую мощность движущегося якоря 3. Соответствующая ей тепловая мощность, выделяемая в замкнутых контурах по закону Джоуля, определяется суммой произведений квадратов тока в каждом контуре и его омического сопротивления.

Система тепловыделяющих контуров в предлагаемом устройстве зависит от свойств материалов, из которых выполнены стенки 10 и 11 теплообменника 6 и замкнутых электропроводящих контуров 12, устанавливаемых внутри камеры 6 вокруг каналов 9. Если стенки 10 и 11 камеры 6 выполнены из изоляционного материала (например из пластмассы), то практически вся тепловая энергия выделяется в кольцах 12, находящихся в теплоносителе-воде. Если стенки 10 и 11 камеры 6 выполнены из электропроводящего материала, то интенсивное тепловыделение будет иметь место в стенках 11 каналов 9, представляющих собой короткозамкнутые контуры вокруг сердечников 2. В боковых стенках 10 тепловыделения практически не будет, т.к. суммарный магнитный поток всех сердечников близок к нулю. В торцевых стенках камеры 6, параллельных плоскости воздушного зазора 5, будет частичное тепловыделение.

Циркулирующая в камере 6 вода или другой жидкий теплоноситель, например антифриз, омывающая тепловыделяющие элементы предлагаемого устройства кольца 12, электропроводящие стенки 11 каналов 9, будет нагреваться и тем интенсивнее, чем быстрее будет двигаться якорь 3 с постоянными магнитами.

Технический эффект предлагаемого устройства по сравнению с прототипом состоит в следующем:
в предлагаемом устройстве в процессе преобразования механической энергии в тепловую нагрев циркулирующего теплоносителя воды происходит внутри неподвижной камеры 6 от неподвижных тепловыделяющих элементов колец 12 и стенок 11. Поэтому сальниковые уплотнения, неизбежные в прототипе, в предлагаемом устройстве отсутствуют, что существенно повышает его долговечность. Кроме того конструкция устройства достаточно проста;
в предлагаемом устройстве воздушный (немагнитный) зазор между торцевыми поверхностями сердечников 2 и постоянных магнитов 4 достаточно мал и может выполняться на уровне воздушных зазоров традиционных электрических машин (доли миллиметра). Поэтому по сравнению с магнитной системой прототипа существенно (более чем в 2 раза) снижается расход дорогостоящих постоянных магнитов при том же уровне магнитной индукции в воздушном зазоре.

Кроме того предложенное устройство более технологично.

Использование: в автономных системах отопления и горячего водоснабжения. Сущность изобретения: устройство для преобразования механической энергии в тепловую содержит неподвижную оболочку 6 и составной магнитопровод, одна из частей которого выполнена подвижной, являющейся якорем 3 и несущей постоянные магниты 4, а другая часть магнитопровода выполнена в виде неподвижного многостержневого шихтованного сердечника 2. Оболочка 6 представляет собой замкнутую полую камеру со сквозными каналами 9 в ней для размещения в них стержней сердечника 2. Оболочка 6 имеет входной 7 и выходной 8 патрубки для циркуляции нагреваемой среды. Внутри оболочки 6 на внешней стороне каналов 9 могут быть установлены замкнутые электропроводящие контуры 12 произвольной формы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для преобразования механической энергии в тепловую, содержащее неподвижную оболочку и составной магнитопровод, одна из частей которого выполнена подвижной, являющейся якорем и несущей постоянные магниты, отличающееся тем, что другая из составных частей магнитопровода выполнена в виде неподвижного многостержневого шихтованного сердечника, а указанная оболочка представляет собой замкнутую полую камеру со сквозными каналами в ней, в которых свободно размещены стержни сердечника, и имеет входные и выходные патрубки для циркуляции нагреваемой среды. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри оболочки на внешней стороне сквозных каналов установлены замкнутые электропроводящие контуры произвольной формы.