УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА ЖИДКОСТИ Российский патент 2001 года по МПК F24J3/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано как в системах отопления и горячего водоснабжения, так и в аппаратах нагрева различного назначения.

Известно устройство для нагрева жидкости, основанное на эффекте избыточного (относительно затраченной энергии) тепловыделения при кавитации в объеме жидкости, в частности воды, при воздействии на него знакопеременного давления [патент США N 4,333,796, 1982, Flynn H.G.]. В таких устройствах выделяющаяся в жидкости тепловая энергия в η > 1 раз превышает затраты энергии на организацию кавитации, по-видимому, за счет экзотермических реакций ядерной трансмутации, происходящих в веществе, сильно сжатом и нагретом при кумуляции микроскопических кавитационных пузырьков (где η - коэффициент преобразования энергии в тепловую). Характерное устройство такого типа содержит объем с жидкостью, в которой с помощью ультразвуковых пульсаторов (магнитострикционных или пьезоэлектрических) создаются стоячие звуковые волны высокой интенсивности. Недостаток этого известного устройства заключается в относительно невысокой экономической эффективности его применения, что связано, во-первых, с тем, что ограничена возможность повышения энергетической эффективности η путем оптимизации процессов энерговыделения с помощью регулирования параметров пузырьков, во-вторых, с относительно невысоким КПД, сложностью, дороговизной и громоздкостью мощных пульсаторов.

Наиболее близким к заявляемому по физической сущности и достигаемому результату является принятое за прототип известное устройство для реализации тепловыделения в жидкости [патент РФ N 2061195, 1995 г., Душкин А.Л., Краснов Ю. И., Ларионов Л.В., Петухов В.Л.], в котором возбуждают движение жидкости в замкнутом гидравлическом контуре с помощью насоса, приводимого в движение электрическим мотором. Жидкость проходит через источник кавитации (в качестве которого, например, может выступать многоканальная форсунка), причем за источником кавитации создают переменное по времени давление, для чего в жидкости формируют газовую подушку, объем которой варьируют с помощью поршня, снабженного устройством для его перемещения, до установления автоколебательного режима. Недостаток этого устройства заключается в его относительно невысокой экономичности, так как, во-первых, само устройство достаточно дорогое, даже в массовом производстве, потому что в нем используется достаточно дорогой мощный высоконапорный насос, во-вторых, достигается относительно невысокая эффективность преобразования электрической энергии в тепловую (по данным авторов этого изобретения, η до 121%), что, в частности, связано со значительными (30-40%) непроизводительными потерями энергии при преобразовании электрической энергии в механическую энергию движения жидкости в насосе, а также при течении жидкости по каналам устройства. Эти потери в значительной мере обусловлены вязким трением (молекулярным и турбулентным), возникающим при движении жидкости относительно стенок.

Целью изобретения является повышение экономической эффективности устройства преобразования электрической энергии в тепловую в кавитирующей жидкости.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для нагрева жидкости, содержащем, как и прототип, мотор, устройство возбуждения движения жидкости, источник кавитации, расположенный в замкнутом объеме жидкости, устройство управления давлением и теплообменник, в отличие от прототипа, выполняют устройство возбуждения движения жидкости не в виде насоса, а в виде поршня, механически связанного с мотором, совершающего движение в замкнутом объеме жидкости (например, возвратно-поступательное движение в цилиндрическом объеме, или движение по окружности в объеме, имеющем форму тела вращения, причем движение жидкости по окружности предотвращается с помощью системы клапанов); кроме того, источник кавитации выполняют в теле указанного поршня, а устройство управления давлением является устройством ограничения максимального избыточного давления.

Это позволяет минимизировать непроизводительные потери энергии, обусловленные вязким трением при движении жидкости относительно стенок, т.к. вместо неподвижного источника кавитации и прокачки жидкости по контуру используют источник кавитации, который перемещают в замкнутом объеме жидкости. Гидродинамические параметры (перепад давления, расход и др.) у источника кавитации, необходимые для его оптимальной работы, обеспечиваются тем, что он выполняется в теле поршня, перекрывающего сечение этого замкнутого объема, причем утечки жидкости при движении поршня между его стенками и стенками этого объема минимальны, и практически вся жидкость протекает через источник кавитации.

Данное изобретение поясняется чертежами, на которых изображены два возможных варианта исполнения устройства.

На фиг. 1 изображено устройство, которое содержит двигатель 1, который посредством привода 2 (например, содержащего редуктор и кривошипно-шатунный механизм), механически связан с поршнем с источником кавитации 3, который может перемещаться (например, возвратно-поступательно) в корпусе 4 (например, имеющем цилиндрическую форму); оптимальное давление в области кумуляции пузырьков (за источником кавитации) поддерживается устройством ограничения максимального избыточного давления 5. Генерируемая тепловая энергия направляется потребителям через стенки корпуса с помощью теплообменника 6.

На фиг. 2 представлена другая возможная реализация устройства, которое в данном случае содержит двигатель и привод в виде редуктора (не показаны), поршень с источником кавитации 3, укрепленный на валу, который может вращаться в корпусе 4, имеющем форму тела вращения, причем поршень перемещается по окружности, устройство ограничения максимального избыточного давления и теплообменник (не показаны), движение жидкости по окружности вдоль замкнутого объема предотвращается с помощью системы клапанов 7. Данная реализация несколько более сложна технически, чем описанная выше, но она в принципе позволяет выдерживать несколько более оптимальные постоянные по времени условия течения в источнике кавитации.

Технический результат применения изобретения - повышение коэффициента η преобразования энергии в тепловую, упрощение и удешевление конструкции устройства.

Повышение η связано с тем, что практически весь объем жидкости (кроме жидкости в каналах источника кавитации и в непосредственной близости к ним) покоится или достаточно медленно движется относительно стенок. Т.о., это устройство практически свободно от непроизводительных потерь энергии, связанных с вязким турбулентным трением при высокоскоростном течении жидкости в контакте со стенками. Упрощение и удешевление производства устройства связано с тем, что оно, в отличие от прототипа, не содержит достаточно дорогой мощный высоконапорный насос, составляющий, как правило, большую часть себестоимости конструкции в целом.

Устройство предназначено для нагрева жидкости и может быть использовано в теплоэнергетике в аппаратах нагрева различного назначения. Устройство основано на тепловыделении при кавитации в жидкости, находящейся в замкнутом объеме и протекающей через источник кавитации, который расположен в поршне, перемещающемся в этом объеме, причем жидкость остается практически неподвижной относительно всех стенок, кроме стенок источника кавитации. Устройство позволяет повысить эффективность преобразования энергии в тепловую за счет уменьшения непроизводительных затрат на вязкое трение о стенки, а также упростить и удешевить конструкцию за счет отказа от применения насосов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для нагрева жидкости, содержащее мотор, механически связанный с устройством возбуждения движения жидкости, источник кавитации, расположенный в замкнутом объеме жидкости, устройство управления давлением и теплообменник, отличающееся тем, что устройство возбуждения движения жидкости выполнено в виде поршня, совершающего движение в замкнутом объеме жидкости, источник кавитации выполнен в теле указанного поршня, а устройство управления давлением является устройством ограничения максимального избыточного давления. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что замкнутый объем жидкости имеет форму цилиндра, а поршень совершает возвратно-поступательное движение. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что замкнутый объем жидкости имеет форму тела вращения, а поршень совершает движение по окружности, причем движение жидкости по окружности предотвращается с помощью системы клапанов.