СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В СТРУЙНОЙ УСТАНОВКЕ ЭНЕРГИИ ПОТОКА В ТЕПЛОВУЮ ЭНЕРГИЮ Российский патент 1998 года по МПК F04F5/54 

Изобретение относится к области струйной техники, преимущественно к струйным и насосноэжекторным установкам, которые могут быть использованы для нагрева перекачиваемой среды с одновременной организацией ее транспортировки или циркуляции.

Известен способ преобразования энергии потока в тепловую энергию путем преобразования кинетической энергии потока в тепловую за счет трения жидкости о стенки профилированного канала (SU, авт. св. 631761, кл F 25 B 29/00, 1978).

В данном способе, путем прокачки жидкости через специальным образом спрофилированные каналы добиваются нагрева жидкости. Однако в этом способе не удается эффективно преобразовывать энергию механическую в энергию тепловую, что ведет к недостаточно высокому КПД преобразования и, как следствие, к отсутствию широкого использования установок, основанных на данном способе.

Известен и другой способ преобразования в струйной установке энергии потока в тепловую энергию, включающий преобразование однофазного жидкостного потока в двухфазный и последующее обратное преобразование потока в однофазный путем торможения потока с повышением давления в нем сопровождаемым ростом температуры жидкостного потока (Петров В.И., Чебаевский В.Ф. Кавитация в высокооборотных лопастных насосах. - М: Машиностроение, 1982, с.5).

Данный способ преобразования является наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату. В данном способе преобразования энергии нагрев жидкости осуществляется за счет интенсивного сжатия парогазовых кавитационных каверн при повышении давления в потоке, сопровождающегося "термодинамическим" нагревом сжимаемого газа и от последнего жидкости, как источника переноса тепла. Однако интенсивность перехода двухфазного потока в однофазный, проходящего, как правило, в плавно расширяющихся каналах недостаточно велика, в связи в чем имеют место разного рода потери и неполнота использования внутренней энергии перехода однофазного потока в двухфазный и обратно, что значительно снижает эффект нагрева жидкости.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности использования энергии потока при преобразовании его энергии в тепловую энергию нагрева перекачиваемой жидкости.

Указанная задача достигается тем, что в способе преобразования в струйной установке энергии потока в тепловую энергию, включающем преобразование однофазного жидкостного потока в двухфазный и последующее обратное преобразование потока в однофазный путем торможения потока с повышением давления в нем, сопровождаемым ростом температуры жидкостного потока, двухфазный поток разгоняют до организации сверхзвукового режима течения двухфазного потока, а далее, путем торможения потока, организуют скачок давления с резким переходом в скачке давления двухфазного потока в практически однофазный с выделением за счет такой организации процесса преобразования двухфазного потока в однофазный дополнительного теплового импульса. Дальнейший рост теплового импульса может быть достигнут за счет того, что жидкость, которую используют для получения тепла, предварительно дегазируют.

Как известно из закона сохранения энергии для потока жидкости, в котором начало координат непрерывно совпадает с центом тяжести движущегося элемента жидкости и, следовательно, последний неподвижен относительно системы координат, следует (для 1 кг жидкости)
dg = di - vdp + dg_тр, (1)
где
g - общее количество тепла или полная энергия элемента жидкости;
i - энтальпия элемента жидкости;
v - объем элемента жидкости;
p - давление в потоке жидкости;
g_тр - энергия трения элемента жидкости.

Учитывая, что di = du + d(pv), (2)
где
u - внутренняя энергия элемента жидкости, а

где
k - показатель изоэнтропы сжимаемой жидкости, общее количество тепла, которое может быть получено в адиабатно изолированной системе может быть представлено в следующем виде:

В случае, если поток чисто жидкостной k _→ ∞ (реально для воды k ≅ 22000, а dv= 0
dq = dq_тр
Именно это мы и наблюдаем в техническом решении по авт.св. СССР N 631761.

Иначе обстоит дело в потоке однородной двухфазной смеси, которая с газодинамической точки зрения является средой сжимаемой и даже более сжимаемой, чем чистый газ и показатель изоэнтропы в ней является функцией показателя изоэнтропы газа и объемного соотношении фаз в смеси (Фисенко В.В. Критические двухфазные потоки. -М: Атомиздат, 1978) и в зависимости от объемного соотношения фаз ( для воды), при обычных условиях коэффициент изоэнтропы будет меняться от k= 22000 (жидкостной поток) до k = 1,285 (газовый поток) (фиг.3).

Таким образом, принимая во внимание вышесказанное и уравнение (4) можно видеть, что от величины k будет зависеть количество тепла, которое может быть получено в двухфазной системе. В связи с этим понятно увеличение получаемого тепла при переходе потока из однофазного жидкостного в двухфазный и обратно, что и наблюдается в техническом решении наиболее близком к описываемому изобретению.

Однако, как показали проведенные исследования, существенное значение имеет механизм перехода в двухфазное состояние, механизм течения в двухфазном состоянии и механизм перехода к однофазному состоянию. Существенное значение также имеет однородность полученного двухфазного потока, что достигается за счет того, что в процессе преобразования однофазного потока в двухфазный последний разгоняется до сверхзвуковой скорости, причем разгон до сверхзвуковой скорости позволяет в более широком диапазоне варьировать газосодержание потока при меньших энергетических затратах. Не менее важное значение для повышения эффективности тепловыделения имеет процесс торможения потока с переходом потока в практически однофазный или, что более точно, в жидкостной поток с микроскопическими парогазовыми пузырьками.

В процессе торможения в двухфазном потоке организуют скачок давления со снижением скорости до дозвукового значения. Пропорционально росту давления увеличивается количество жидкой фазы, причем резкий рост давления (скачкообразный рост) приводит к структурной перестройке в жидкости, что способствует выделению большего количества тепла по сравнению с наиболее близким аналогом. Дальнейшее выделение тепла будет происходить в основном в тепловыделяющем устройстве, например батарее водяного отопления, по мере того, как в жидкостном потоке будут схлопываться микроскопические парогазовые пузырьки, за счет дополнительного торможения потока.

Следует также отметить, что возможна различная организация первого этапа преобразования, а именно этапа преобразования жидкости в двухфазный поток, так как такое преобразование можно провести путем электролиза, когда газовая фаза в потоке жидкости возникает в результате воздействия на него электричества, можно использовать химические свойства жидкости по выделению газовой фазы, возможно тепловое воздействие на поток жидкости и возможно, как описано выше, геометрическое воздействие на поток, когда организуют течение потока жидкости в строго спрофилированном канале, что позволяет заранее заданным образом менять давление в потоке и скорость потока. В этом случае целесообразно проводить преобразование жидкостного потока в двухфазный в сужении, выполненном в виде перфорированной пластины (решетки) с заранее рассчитанными числом отверстий и проходным сечением этих отверстий.

Таким образом, описываемый способ преобразования энергии потока в тепловую энергию позволяет добиться выполнения поставленной задачи - увеличение нагрева жидкости без увеличения подведенной энергии, т.е. повысить эффективность преобразования энергии.

На фиг. 1 показана принципиальная схема установки, в которой может быть реализован описываемый способ преобразования энергии, на фиг.2 представлено схематически одно из струйных устройств, в котором можно производить описанные выше преобразования жидкостного потока с показанными ниже графиками изменения давления (P), скорости (W), и газосодержания β потока вдоль струйного устройства, на фиг.3 представлена зависимость изменения коэффициента изоэнтропы от изменения газосодержания ( β_* ) потока и на фиг. 4 представлена зависимость изменения коэффициента A в зависимости от изменения коэффициента изоэнтропы.

Струйная установка для реализации описываемого способа преобразования содержит насос 1, подключенный выходом к струйному устройству - генератору тепла 2, которое своим выходом подключено к тепловыделяющему устройству 3, например батарее водяного отопления какого-либо помещения. Тепловыделяющее устройство 3 в свою очередь подключено к входу насоса 1 и к струйному устройству 2.

Установка, в которой реализован описываемый способ преобразования энергии, работает следующим образом.

Насос 1 подает жидкость в струйное устройство - генератор тепла 2. Поступив в генератор тепла 2, жидкостной поток между сечениями I и II (фиг.2), протекая через сужение, разгоняется. При этом давление в потоке падает. В сечении II (минимальное сечение) поток достигает максимальной скорости и, соответственно, давление в нем достигает своего минимального значения, причем величина давления становится ниже давления насыщенных паров жидкости, в результате чего жидкостной поток преобразуется в двухфазный поток. Далее между сечениями II и III в результате роста объемного газосодержания в двухфазном потоке и за счет этого поддержания абсолютной величины скорости постоянной сначала формируют сверхзвуковой режим течения с образованием однородного двухфазного потока, а далее, по мере движения двухфазного потока в расширяющемся канале, понижают скорость звука в потоке до величины, при которой формируют в потоке скачок давления. Этот процесс происходит вблизи сечения III. Как результат двухфазный поток преобразуется в практически однородный жидкостной поток с микроскопическими парогазовыми пузырьками. В результате резкого схлопывания в скачке давления парогазовых пузырей двухфазного потока, сопровождаемого быстрым ростом давления сжатия парогаза достигающего нескольких тысяч атмосфер, в последних происходит реструктуризация молекулярных связей вещества или веществ, образующих жидкостной поток, что вызывает высвобождение энергии межмолекулярных связей, выражающееся в нагреве жидкости, образующей жидкостной поток после сечения III. Поскольку в струйное устройство - генератор тепла 2 жидкость постоянно подается, то последний непрерывно генерирует тепло, причем за счет схлопывания микроскопических пузырьков жидкостного потока в тепловыделяющем устройстве 3 достигается дополнительный нагрев жидкости. Из тепловыделяющего устройства 3 жидкость может направляться, в зависимости от требований по величине ее нагрева, либо в насос 1, либо сразу в генератор тепла 2, либо частично и в насос 1 и в струйное устройство - генератор тепла 2 одновременно.

Возвращаясь к формуле 4, можно заметить, что эффективность работы струйного устройства - генератора тепла 2 тем больше, чем меньше показатель изоэнтропы однородной двухфазной смеси. Последний, в свою очередь, при прочих равных условиях тем меньше, чем меньше показатель изоэнтропы газа, входящего в состав двухфазной среды. Отсюда следует, что эффект выделения тепла тем больше, чем больше атомов в молекуле вещества, которое служит источником получения тепла. Одним из методов, который может позволить добиться этого, может быть предварительная дегазация жидкости, которая используется для получения тепла. Покажем это на примере воды. Молекула воды состоит из трех атомов, в то время как почти все газы, растворенные в воде, являются двухатомными (в основном это азот и кислород воздуха). Поэтому, если предварительно дегазировать воду, то при переводе воды из жидкого состояния в двухфазное пузырьки будут заполнены в основном парами воды, т.е. трехатомным газом, что и позволяет получить большее количество тепла.

Как показали проведенные исследования, максимальное, теоретически достижимое, относительное увеличение получения тепла в генераторе тепла 2 будет равно

где
Q - количество получаемого тепла;
N_e - подведенная электрическая мощность электродвигателя насоса;
η - гидравлический КПД насоса;
A - экспериментально полученный коэффициент.

На фиг.4 в качестве примера приведена зависимость величины коэффициента A от показателя изоэнтропы двухфазной смеси k для воды (кривая 1), для жидкости с числом атомов в молекуле равном 22 (кривая 2) и для двухфазной смеси с пузырьками, заполненными в основном двухатомным газом. Из данного графика видно, что подбором жидкости, циркулирующей через генератор тепла 2, и дегазацией жидкости можно увеличить количество получаемого в установке тепла.

Данное изобретение может быть использовано в автономных тепловыделяющих установках для отопления помещений различного назначения, где отсутствует централизованное отопление зданий, а также для получения горячей воды для бытовых и технических целей.

Способ может быть использован для нагрева перекачиваемой среды. В двухфазном потоке формируют сверхзвуковой режим его течения, а затем двухфазный поток тормозят с формированием в нем скачка давления с переходом в скачке давления двухфазного потока в жидкостной поток с микроскопическими парогазовыми пузырьками и нагревом жидкости в процессе скачкообразного преобразования двухфазного потока в жидкостной. Данный способ позволяет повысить эффективность использования энергии потока. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ преобразования в струйной установке энергии потока жидкости в тепловую энергию, включающий преобразование однофазного жидкостного потока в двухфазный и последующее обратное преобразование потока в однофазный путем торможения потока с повышением давления в нем, сопровождаемым ростом температуры жидкостного потока, отличающийся тем, что в двухфазном потоке формируют сверхзвуковой режим его течения, а затем двухфазный поток тормозят с формированием в нем скачка давления с переходом в скачке двухфазного потока в жидкостной поток с микроскопическими парогазовыми пузырьками и нагревом жидкости в процессе скачкообразного преобразования двухфазного потока в жидкостной. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что организуют схлопывание микроскопических пузырьков в тепловыделяющем устройстве путем дополнительного торможения жидкостного потока в нем с выделением за счет этого дополнительного количества тепла. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что жидкость перед ее преобразованием в двухфазный поток дегазируют или деаэрируют.