СПОСОБ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F24J3/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике, более конкретно к средствам для нагрева жидкого теплоносителя.

Известен способ тепловыделения в жидкости, основанный на преобразовании в тепло кинетической энергии движущейся жидкости (патент США N 518890, 1991 г.).

Реализующее данный способ устройство, известное из того же патента, содержит средства для формирования высокоскоростной струи жидкости и ее торможения, в результате которого и происходит превращение кинетической энергия струи в тепловую энергию, сопровождающееся повышением температуры жидкости.

Этим способу и устройству присущи невысокие значения коэффициента преобразования подводимой к приводу насоса энергии в тепловую энергию жидкости. Эти значения не превышают единицы, что обусловлено чисто механическим характером используемого принципа преобразования. Данный принцип "безразличен" к физико- химическим свойствам используемой жидкости.

Известен также способ получения энергии по патенту Российской Федерации N 2054604 (20.02.1996 г.), основанный на воздействии на жидкость комбинацией в определенных пропорциях постоянного и переменного давлений до образования в ней кавитационных пузырьков, которые при схлопывании свою внутреннюю энергию преобразуют в тепловую энергию жидкости.

В устройстве, с помощью которого осуществляется этот способ, для создания переменного давления используется ультразвуковой кавитатор.

Данные способ и устройство, как и предыдущие, применимы с различными рабочими жидкостями. Экспериментально показано, что количество выделенной тепловой энергии превышает количество подводимой энергии. Это объясняется тем, что выделение тепловой энергии в жидкости основано на протекании ядерных реакций.

Вследствие этого, как отмечается в описании изобретения по указанному патенту, выделению тепла в жидкости сопутствует ионизирующее излучение, в частности нейтронное, существенно превышающее естественный фон. Поэтому применение этих способа и устройства не является экологически безопасным. Кроме того, использование кавитации сопровождается присущим ей разрушительным воздействием на элементы конструкции.

Наряду с названными выше, известен способ тепловыделения в жидкости по патенту Российской Федерации N 2061195 (27.05.1996 г.), тоже основанный на использовании явления кавитации и направленный на повышение ее интенсивности путем создания газовой подушки в жидкости, кавитирующей в замкнутом контуре, и варьирования объема упомянутой газовой подушки и расхода жидкости до установления автоколебательного режима.

Устройство, реализующее данный способ, содержит замкнутый гидравлический контур с расширительной емкостью и перемещающимся в ней поршнем, кавитатор центробежного типа и теплообменник для передачи тепла потребителю.

В качестве достоинств этих способа и устройства отмечается, что одновременно с увеличением тепловыделения за счет повышения интенсивности кавитационных процессов снижается негативное действие последних на долговечность элементов конструкции благодаря тому, что газовые пузыри образуются преимущественно в толще жидкости.

Поскольку имеет место общность физических принципов данных способа и реализующего его устройства с предыдущими, им присуща возможность преобразования подводимой энергии в тепловую энергию жидкости с коэффициентом, превышающим единицу. Однако в связи с отмеченной общностью способу и устройству по патенту Российской Федерации N 2 061195 присуща и негативная особенность, заключающаяся в том, что не может быть гарантирована экологическая безопасность при их использовании.

Известен, кроме того, способ по международной заявке PCT WO 90/00526 (1990 г. ), в котором создают противонаправленные вихревые потоки деионизированной воды и вызывают их соударение при высокой скорости. Как отмечается в описании изобретения по указанной международной заявке, наряду с дезаггломерацией воды (являющейся основным назначением способа по указанной заявке), происходит ее нагрев с выделением тепла, дополнительного к тому, которое является результатом преобразования кинетической энергии движущейся воды.

Описанное в упомянутой заявке устройство для осуществления способа представляет собой коллоидную мельницу, содержащую емкость со встречными вихревыми форсунками, включенную в замкнутый контур, содержащий также насос и теплообменник для отбора тепла, выделенного в воде.

Для этих способа и устройства, как указывается в описании изобретения по заявке PCT WO 90/00526, существенно использование уникальных свойств воды, обуславливающих высвобождение энергии в результате разрыва водородных связей. Необходимость использования в качестве рабочей жидкости именно воды ограничивает сферу возможного использования таких способа и устройства в целях тепловыделения. Кроме того, в описании изобретения по заявке PCT WO 90/00526 указывается на выделение, наряду с тепловой, также электрической энергии. Поскольку последнее происходит, по-видимому, через электромагнитное излучение, экологическая безопасность этих технических решений тоже не является бесспорной.

Всем описанным выше техническим решениям присуща общая негативная особенность, заключающаяся в том, что реализуемые ими принципы тепловыделения связаны с предварительным преобразованием подводимой энергии в кинетическую энергию жидкости (в способе по заявке PCT WO 90/00526 - обязательно воды). Это обуславливает значительное усложнение соответствующих средств в механическом отношении по сравнению с необходимыми для обычного перемещения теплоносителя от места приобретения им тепловой энергии к потребителю.

Известные способ и устройство по заявке PCT WO 90/00526 наиболее близки к предлагаемым изобретениям по совокупности выполняемых операций и конструктивных признаков.

Предлагаемое изобретенияе решает задачу получения технического результата, заключающегося в достижении превышающего единицу коэффициента преобразования подводимой энергии в выделившееся тепло в сочетании с экологической безопасностью и исключением необходимости предварительного преобразования подводимой энергии в кинетическую энергию рабочей жидкости, а также расширение номенклатуры пригодных для использования жидкостей.

Предлагаемое изобретение, относящееся к способу, включает воздействие на рабочую жидкость физического фактора.

Для достижения названных видов технического результата в предлагаемом способе, в отличие от известного, в качестве рабочей используют полярную жидкость. При этом следует заметить, что хотя вода, являющаяся объектом физического воздействия в известном способе, относится к полярным жидкостям, использование ее полярных свойств не только не акцентируется, но и не упоминается; поэтому использование любых полярных жидкостей не является признаком известного способа, наиболее близкого к предлагаемому.

Воздействие на рабочую жидкость осуществляют импульсным оптическим излучением в зоне контакта этой жидкости с поверхностью размещенного в ней светоотражающего экрана. Последний выполнен из смачиваемого данной рабочей жидкостью материала или имеет покрытие из такого материала.

Такое сочетание свойств экрана или его покрытия и рабочей жидкости обеспечивает наличие неподвижных или малоподвижных молекул у поверхности экрана, а наличие у него светоотражающих свойств способствует лучшему использованию энергии оптического излучения для отрыва таких молекул от его поверхности. Оторванные от поверхности экрана малоподвижные молекулы необходимы для передачи им энергии, выделяющейся в процессе синтеза молекулярных образований, возможность возникновения которых при самопроизвольных столкновениях более подвижных молекул рабочей жидкости (или ранее возникших образований) обусловлена наличием у этой жидкости полярных свойств.

Для повышения интенсивности тепловыделения воздействие на рабочую жидкость импульсным оптическим излучением осуществляют с помощью протяженного источника.

Для увеличения общего объема нагреваемой рабочей жидкости и практического использования выделяемого в ней тепла осуществляют отвод части нагретой рабочей жидкости из зоны воздействия на нее импульсным оптическим излучением, ее охлаждение и последующий возврат в зону воздействия импульсным оптическим излучением.

Устройство для тепловыделения в жидкости по предлагаемому изобретению, предназначенное для осуществления предлагаемого способа, как и наиболее близкое к нему известное, содержит емкость с находящимся в ней средством, обеспечивающим воздействие физического фактора на рабочую жидкость.

Для достижения указанных выше видов технического результата в предлагаемом устройстве, в отличие от известного, емкость с находящимся в ней средством, обеспечивающим воздействие физического фактора на рабочую жидкость, наполнена полярной рабочей жидкостью. В рабочей жидкости размещен светоотражающий экран, выполненный из материала, смачиваемого данной рабочей жидкостью, или имеющий покрытие из такого материала. Необходимость такого сочетания свойств рабочей жидкости и материала экрана (или его покрытия) разъяснена выше при раскрытии изобретения, относящегося к предлагаемому способу. В качестве средства, обеспечивающего воздействие физического фактора на рабочую жидкость, устройство содержит источник импульсного оптического излучения. Этот источник размещен с возможностью облучения рабочей жидкости в зоне ее контакта с поверхностью упомянутого размещенного в ней светоотражающего экрана. Этим при работе устройства обеспечиваются отрыв неподвижных молекул рабочей жидкости от поверхности светоотражающего экрана в результате воздействия на них импульсного оптического излучения и пополнение ими группы молекул, способных воспринимать и переносить энергию, выделяемую в процессе синтеза молекулярных образований, создаваемых другими, более подвижными молекулами рабочей жидкости.

Для одновременного воздействия на больший объем рабочей жидкости источник импульсного оптического излучения может быть выполнен протяженным.

Следует отметить, что для известного устройства не характерно наполнение рабочей жидкостью емкости, в объеме которой осуществляется воздействие физического фактора на рабочую жидкость. Наоборот, емкость всегда должна быть свободна для соударения двух встречных вихревых потоков распыленной рабочей жидкости (воды), создаваемых форсунками. Для этого сразу после соударения упомянутых потоков распыленная жидкость отводится из зоны соударения через выходной патрубок.

Для увеличения интенсивности воздействия на рабочую жидкость размещенный в ней светоотражающий экран может быть образован стенкой, охватывающей протяженный источник импульсного оптического излучения камеры, которая сообщается с внешней по отношению к ней частью объема емкости. Этим обеспечивается возможность замены рабочей жидкости, находящейся в пространстве между источником импульсного оптического излучения и светоотражающим экраном, жидкостью из внешнего по отношению к светоотражающему экрану пространства.

Стенка указанной камеры, охватывающей протяженный источник оптического излучения, образующая светоотражающий экран, может быть выполнена из двух или более одинаковых расположенных симметрично относительно продольной оси протяженного источника частей. В этом случае соседние части стенки камеры плавно изогнуты навстречу друг другу с образованием между их краями щелей, имеющих в поперечном сечении профиль сужающегося сопла. Через эти щели может происходить упомянутый обмен рабочей жидкости. Части стенки камеры, образующие светоотражающий экран, имеют развитую зеркальную поверхность, благодаря чему увеличивается общее количество молекул рабочей жидкости, на которые одновременно оказывается воздействие импульсным оптическим излучением, и повышается эффективность использования энергии этого излучения.

В другом частном случае стенка камеры, охватывающей протяженный источник импульсного оптического излучения, образующая светоотражающий экран, может быть выполнена в виде сетки из материала с зеркальной поверхностью. В поперечном сечении стенка камеры в этом случае имеет вид замкнутого контура. Такое выполнение направлено на достижение того же результата, что и в предыдущем случае. Упомянутый выше обмен жидкости при этом происходит через ячейки сетки.

Емкость с рабочей жидкостью и находящимися в ней источником импульсного оптического излучения и светоотражающим экраном может быть включена в замкнутый гидравлический контур. Кроме самой емкости, этот контур содержит также насос, служащий для перекачивания рабочей жидкости, и теплообменник для отбора переносимого рабочей жидкостью тепла и последующей передачи его потребителю.

На фиг. 1 показана конструкция устройства для тепловыделения в жидкости со схематическим представлением внешней по отношению к емкости с рабочей жидкостью части замкнутого гидравлического контура;
на фиг. 2 - частный случай выполнения светоотражающего экрана, в котором он образован стенкой камеры, состоящей из двух симметричных частей, и размещение этих частей относительно источника импульсного оптического излучения;
на фиг. 3 - выполнение светоотражающего экрана, аналогичное предыдущему случаю, но из четырех частей;
на фиг. 4 - другой частный случай размещения и выполнения светоотражающего экрана, в котором он выполнен из сетки, образуя в поперечном сечении замкнутый контур в виде прямоугольника;
на фиг. 5 - то же, что на фиг. 4, при эллиптической форме контура.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит емкость 1 с рабочей жидкостью 2, в которой размещен источник импульсного оптического излучения. В показанном на фиг. 1 случае источником оптического излучения является импульсная лампа 3 в виде газоразрядной трубки, т.е. использован протяженный источник [под протяженным здесь понимается источник, не являющийся точечным, продольный размер которого значительно (в 10 и более раз) превышает поперечные]. Импульсная лампа 3 подключена к источнику 4 импульсного напряжения питания. Импульсная лампа 3 по всей ее длине окружена светоотражающим экраном 5 [в разрезе, изображенном на фиг. 1, видна только задняя (по отношению к наблюдателю) часть этого экрана].

Емкость 1 через входное отверстие 1₁ в левой (по фиг. 1) ее части и выходное отверстие 1₂ в правой части гидравлически связана с насосом 6 и теплообменником 7, образуя совместно с ними замкнутый контур для рабочей жидкости. В этом контуре используются вход 7₁ и выход 7₂ теплообменника. Через вход 7₃ подается охлаждающая жидкость, которая поступает к потребителю через выход 7₄. Насос 6 снабжен электроприводом (на фиг. 1 не показан).

На фиг. 2 изображены в поперечном сечении светоотражающий экран и импульсная лампа. В показанном на фиг. 2 частном случае светоотражающий экран образован стенкой камеры, охватывающей импульсную лампу 3 и выполненной из двух одинаковых частей 5₁ и 5₂ (левой и правой по фиг. 2), расположенных симметрично относительно продольной оси импульсной лампы 3 (в данном случае - симметрично также относительно проходящей через эту ось плоскости, которой на фиг. 2 соответствует вертикальная осевая линия). Обе части имеют развитую зеркальную поверхность (например, волнистую или пилообразную; существенно, чтобы такой характер имела внутренняя, т.е. обращенная к импульсной лампе 3 поверхность). Левая 5₁ и правая 5₂ части стенки камеры, образующие светоотражающий экран, плавно изогнуты навстречу друг другу с образованием между их краями щелей 5₃ и 5₄, имеющих в показанном на фиг. 2 поперечном сечении профиль сужающегося сопла.

На фиг. 3 показано выполнение светоотражающего экрана 5 из четырех частей, не требующее дополнительных пояснений.

Показанный на фиг. 4 и 5 светоотражающий экран 5 образован стенкой, окружающей импульсную лампу 3 камеры, выполненной в виде сетки из материала с зеркальной поверхностью, имеющей в поперечном сечении вид замкнутого контура - соответственно прямоугольного и эллиптического.

В качестве рабочей жидкости емкость 1 заполняют любой полярной жидкостью (т. е. жидкостью, молекулы которой представляют собой элементарные электрические диполи), способной смачивать поверхность светоотражающего экрана 5. В случае серебряного или посеребренного экрана таким условиям удовлетворяют вода, спирты и ряд других жидкостей.

Работа предлагаемого устройства в процессе осуществления предлагаемого способа для всех описанных частных случаев выполнения светоотражающего экрана происходит одинаково и базируется на следующих физических явлениях и свойствах полярных жидкостей.

Известно, в частности (см. Суорц Кл. Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений.= М.: Наука, 1986), что в жидкой фазе воды существуют изменяющиеся скопления молекул (кластеры). Поскольку возникновение кластеров обусловлено полярными свойствами воды, благодаря которым ее отдельные молекулы и группы молекул вступают в электрическое взаимодействие, наличие кластеров присуще любым полярным жидкостям.

Кластеры непрерывно образуются и разрушаются. При их образовании (синтезе) происходит выделение энергии. В ходе реализации предлагаемого способа в предлагаемом устройстве создаются условия, при которых скорость образования кластеров превышает скорость их разрушения. Образование нового кластера происходит в результате неупругого удара двух составляющих (отдельных молекул или ранее возникших кластеров) при наличии в зоне соударения третьей частицы. Поэтому скорость образования кластеров определяется концентрацией таких третьих частиц. Вероятность тройных соударений наиболее велика, когда третья частица малоподвижна. Этому условию удовлетворяют частицы, только что освобожденные с поверхности специального размещенного в жидкости экрана и находящиеся вблизи этой поверхности. Молекула жидкости, находящаяся вблизи поверхности экрана, испытывает на себе воздействие когезионных сил (т. е. сил, действующих со стороны других молекул рабочей жидкости) и адгезионных сил (т.е. сил взаимодействия с материалом экрана), действующих обычно в противоположных направлениях. Последнее утверждение справедливо, если жидкость способна смачивать поверхность экрана; этим одновременно обеспечивается постоянное наличие на поверхности экрана молекул рабочей жидкости, готовых в результате небольшого воздействия на них и отрыва от этой поверхности перейти в свободное состояние.

В предлагаемом устройстве (фиг. 1) синтез кластеров происходит при воздействии на рабочую жидкость 2, находящуюся вблизи поверхности экрана 5, импульсным оптическим излучением импульсной лампы 3. Эффективность воздействия импульсного оптического излучения при прочих равных условиях выше, если поверхность экрана 5 является зеркальной. При воздействии квантов излучения с поверхности светоотражающего экрана 5 происходит отрыв молекул рабочей жидкости. Количество высвобожденных молекул зависит от материала светоотражающего экрана, а именно от его свойств, определяющих величину адгезионных сил для молекул данной рабочей жидкости. Например, для экрана из серебра (или имеющего серебряное покрытие) и воды в качестве рабочей жидкости величины адгезионных и когезионных сил уравновешены, поэтому процесс высвобождения молекул с поверхности экрана происходит при меньших энергиях светового импульса. Эти свободные молекулы обеспечивают синтез молекулярных образований. Новое образование будет находиться в возбужденном состоянии, свою колебательную энергию оно передаст другим молекулам рабочей жидкости после многочисленных столкновений. Энергию, выделенную в ходе синтеза, унесет оказавшаяся в зоне соударения высвобожденная с поверхности светоотражающего экрана 5 молекула. Затем эта энергия в результате столкновений будет передана другим молекулам. Под воздействием импульса света часть воды покинет зону светоотражающего экрана, вместо нее поступит новая порция из объема окружающей импульсную лампу 3 камеры, стенка которой является светоотражающим экраном 5. Далее этот процесс многократно повторяется.

При неподвижной рабочей жидкости 2 происходит повышение ее температуры до установления теплового баланса с окружающей средой, если он возможен при конкретных условиях передачи тепла в окружающую среду. В противном случае происходит дальнейший рост температуры рабочей жидкости, и в результате перехода части жидкости в газообразную фазу работа устройства нарушается.

При работе насоса 6 в результате отбора тепла нагретой рабочей жидкости в теплообменнике 7 (например, рекуперационного типа) тепловой баланс достигается при меньшей температуре рабочей жидкости в емкости 1. Работа устройства с отдачей тепловой энергии, превышающей суммарную подводимую энергию, необходимую для осуществления процесса тепловыделения в рабочей жидкости по предлагаемому способу, будет продолжаться до наступления момента, когда произойдет такое изменение свойств рабочей жидкости, циркулирующей по замкнутому гидравлическому контуру, в результате которого будет утрачена способность синтеза кластеров с выделением присущей процессу синтеза энергии. После этого рабочая жидкость должна быть заменена.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его осуществления не являются средствами, функционирующими в противоречии с законом сохранения энергии. Они обеспечивают получение избыточной по отношению к подводимой энергии за счет создания условий для высвобождения заключенной в рабочей жидкости энергии взаимодействия ее молекул и молекулярных образований, и в этом смысле они могут рассматриваться как средства для преобразования потенциальной энергии рабочей жидкости в кинетическую энергию ее молекул, проявляющуюся в повышении температуры.

При экспериментальном исследовании предлагаемых способа и устройства в качестве рабочей полярной жидкости использовалась вода. Наличие тепловыделения в жидкости было подтверждено в весьма широких пределах варьирования параметров импульсов оптического излучения при различных их сочетаниях: длительность импульса от 1 до 5•40³ мкс; частота следования импульсов - от 0,01 до 100 Гц. В качестве источников импульсного оптического излучения использовались промышленные импульсные газоразрядные лампы излучения в видимом диапазоне спектра.

Для получения тепловой энергии, превышающей затрачиваемую на проведение процесса, при минимальной величине последней необходим экспериментальный подбор мощности источника оптического излучения в зависимости от конкретных конструктивных параметров устройства и условий его эксплуатации (объем рабочей жидкости в емкости, ее конфигурация, размеры импульсной лампы, расстояние от ее поверхности до светоотражающего экрана и его форма, скорость прокачивания жидкости, условия охлаждения и т.д.). В экспериментальной установке такой мощности излучения соответствовали значения плотности излучения в импульсе в зоне поверхности экрана от 10^-4 до 1 Дж/мм². Приведенная ниже таблица содержит результаты нескольких экспериментов, иллюстрирующие получение тепловой энергии, превышающей затраченную.

Способ тепловыделения и устройство предназначены для получения тепла с высоким коэффициентом преобразования и экологически безопасны. Для этого воздействуют импульсным оптическим излучением на полярную жидкость в зоне ее контакта с поверхностью размещенного в ней светоотражающего экрана, выполненного из смачиваемого данной жидкостью материала или имеющего покрытие из такого материала. Экран и протяженный источник импульсного оптического излучения в виде импульсной газоразрядной лампы, подключенной к источнику импульсного питающего напряжения, размещены в емкости с полярной рабочей жидкостью. Емкость включена в замкнутый гидравлический контур, содержащий кроме нее также насос и теплообменник. Реализация изобретений позволяет увеличить интенсивность и величину тепловыделения. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ тепловыделения в жидкости, включающий воздействие на жидкость физического фактора, отличающийся тем, что воздействие осуществляют импульсным оптическим излучением на полярную жидкость в зоне ее контакта с поверхностью размещенного в ней светоотражающего экрана, выполненного из смачиваемого данной жидкостью материала или имеющего покрытие из такого материала. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействие импульсным оптическим излучением осуществляют с помощью протяженного источника. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что осуществляют отвод части нагретой рабочей жидкости из зоны воздействия на нее импульсным оптическим излучением, ее охлаждение и последующий возврат в зону воздействия импульсным оптическим излучением. 4. Устройство для тепловыделения в жидкости, содержащее емкость с находящимся в ней средством, обеспечивающим воздействие физического фактора на рабочую жидкость, отличающееся тем, что емкость наполнена полярной рабочей жидкостью, в которой размещен светоотражающий экран, выполненный из материала, смачиваемого данной жидкостью, или имеющий покрытие из такого материала, а в качестве средства, обеспечивающего воздействие физического фактора на рабочую жидкость, устройство содержит источник импульсного оптического излучения, размещенный с возможностью облучения рабочей жидкости в зоне ее контакта с поверхностью размещенного в ней светоотражающего экрана. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что источник импульсного оптического излучения выполнен протяженным, а размещенный в рабочей жидкости светоотражающий экран образован стенкой, охватывающей источник импульсного оптического излучения камеры, сообщающейся с внешней по отношению к ней частью емкости. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что стенка камеры, охватывающей протяженный источник оптического излучения, образующая светоотражающий экран, выполнена из двух или более одинаковых частей, расположенных симметрично относительно продольной оси протяженного источника, имеющих развитую зеркальную поверхность, при этом соседние части стенки камеры плавно изогнуты навстречу друг другу с образованием между их краями щелей, имеющих в поперечном сечении профиль сужающегося сопла. 7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что стенка камеры, охватывающей протяженный источник импульсного оптического излучения, образующая светоотражающий экран, выполнена в виде сетки из материала с зеркальной поверхностью и имеет в поперечном сечении вид замкнутого контура. 8. Устройство по любому из пп. 4 - 7, отличающееся тем, что емкость включена в замкнутый гидравлический контур, содержащий также насос и теплообменник.