СПОСОБ НАГРЕВА ЖИДКОСТИ Российский патент 2001 года по МПК F24D3/02 F25B29/00 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для нагрева жидкости. Особенно эффективно изобретение в замкнутых циркуляционных контурах отопления зданий.

Известен способ нагрева жидкости путем создания вихревого режима течения жидкости и последующего преобразования энергии вихревого движения жидкости в тепловую за счет резкого торможения потока жидкости [1,2].

Известен также способ нагрева жидкости путем создания кавитационного режима течения жидкости и последующего преобразования энергии кавитационного режима течения жидкости в тепловую [3].

Наиболее близким к предлагаемому является способ нагрева жидкости, преимущественно в замкнутых циркуляционных контурах отопления, путем создания вихревого или(и) кавитационного режима течения жидкости и последующего преобразования полученной энергии в тепловую [4].

Следует отметить, что во всех технических решениях [1-4] на практике реализуется "аномально" высокое тепловыделениe, что подтверждается и в работе [6].

Механизм этой "аномальности" заключается в следующем. Ассоциированные жидкости, например самая распространенная из них - вода, имеют сложные надмолекулярные структуры, в которых отдельные молекулы частично образуют объединения-ассоциаты и совместно существуют в динамическом равновесии. При этом для каждого равновесного природного состояния, характеризуемого определенным набором термодинамических параметров, всегда существует свое отношение концентраций по отношению друг к другу. Причиной ассоциаций в основном выступают нескомпенсированные водородные связи с энергетикой от 2,5 до 6,5 ккал/моль.

Сугубо для воды в работе [5] было получено строгое соотношение между мономерными и связанными в ассоциаты молекулами в виде
N_св/N_льд. = е^-500/RT, (1)
где N_св. и N_льд. - концентрации свободных молекул с разорванными водородными связями и ассоциированных молекул, объединенных в ажурного строения льдоподобные молекулярные образования соответственно, 500 - энергия активации переходного процесса (в кал), R - газовая постоянная и Т - абсолютная температура.

Для воды при нормальных условиях выражение (1) дает значение отношения концентраций надмолекулярных структур N_св./N_льд.=0,408 в относительных единицах, ибо N_св. + N_льд.=1.

Учитывая, что согласно [1] при разрушении 1 моль ассоциатов выделяется энергия 500 кал, то при полном разрушении кавитационными ударными волнами всех ассоциатов природной воды в 1 л - 0.71 л получим Q = 19.72 ккал. Однако в диссертационной работе [7] расчетным моделированием показано, что "крупные" частицы притягиваются к поверхности кавитирующей каверны и диспергируются, а мелкие отталкиваются и способны коагулировать. Поэтому обязательное присутствие процесса коагуляции снизит данную величину на 1/3, что даст 13,15 ккал "аномального" тепла с 1 л воды.

Теоретически система нагрева по прототипу может непрерывно выделять "аномальное" тепло (без учета восстановления разрушенных структур-ассоциатов) в течение определенного времени до их полного уничтожения при замкнутой циркуляции. "Аномальное" тепло может выделяться в системе отопления-прототипе, если в систему забирается проточная природная вода, и после теплоотдачи сбрасывается так, чтобы она не оказалась в точке забора воды в систему.

Экспериментально доказано, что в природе отношение концентраций надмолекулярных структур воды, прошедшей вихревой или кавитационный нагрев восстанавливается за 48-56 ч выдержки в отстойнике за счет воздействия на ассоциированную жидкость лучистых, корпускулярных и магнитных энергетических полей Солнца и космоса в целом, выражаясь как N_св./N_льд. = 0,408.

Таким образом, "аномально" высокое тепловыделениe для ассоциированных жидкостей в технических решениях [1-4] удается реализовать в течение довольно короткого времени, после чего эта "аномальность" сходит на нет. Дальше все эти системы нагрева воды, реализующие способы [1-4], будут продолжать работать без "аномального" тепловыделения или, для того чтобы иметь это "аномальное" тепловыделение, эти системы должны выключаться, чтобы природным путем эта "аномальность" восстановилась.

Задача изобретения - обеспечить "аномально" высокое тепловыделение для ассоциированных жидкостей в системах нагрева в непрерывном режиме путем восстановления или усиления этой "аномальности" принудительно с затратами энергии на это, не соизмеримыми с получаемым выигрышем, что даст возможность использовать этот способ промышленным образом.

Указанная задача достигается тем, что в способе нагрева жидкости, преимущественно в замкнутых циркуляционных контурах отопления, путем создания вихревого или(и) кавитационного режима течения жидкости и последующего преобразования полученной энергии в тепловую для ассоциированных жидкостей в движущемся потоке жидкости перед созданием в нем вихревого или(и) кавитационного режима течения принудительно изменяют структуру жидкости в сторону увеличения надмолекулярных структур, для чего воздействуют на эту жидкость магнитным полем с напряженностью, превышающей напряженность магнитного поля Земли. Кроме того, линии напряженности магнитного поля следует направлять поперек направлению движения жидкости.

Новым здесь является то, что для ассоциированных жидкостей в движущемся потоке жидкости перед созданием в нем вихревого или и) кавитационного режима течения принудительно изменяют структуру жидкости в сторону увеличения надмолекулярных структур, для чего воздействуют на эту жидкость магнитным полем с напряженностью, превышающей напряженность магнитного поля Земли. Кроме того, линии напряженности магнитного поля могут направлять поперек направления движению жидкости.

Принудительно изменяя структуру жидкости в сторону увеличения надмолекулярных структур, мы увеличиваем запас "аномальной" энергии в жидкости, которую получим в виде тепловой энергии при последующем разрушении этих надмолекулярных структур с помощью вихревого или(и) кавитационного воздействия на жидкость.

Проводя это воздействие в движущемся потоке жидкости перед созданием в нем вихревого или(и) кавитационного режима течения, мы делаем запас "аномальной" энергии в жидкости именно перед созданием вихревого или кавитационного воздействия, в результате которого эта запасенная энергия сможет перейти в тепловую энергию жидкости.

Воздействуя на ассоциированную жидкость магнитным полем с напряженностью, превышающей напряженность магнитного поля Земли, с помощью этого инициатора (катализатора) мы принудительно значительно ускоряем природный механизм восстановления разрушенных в кавитаторе (вихре) надмолекулярных структур и, более того, имеем возможность сдвигать соотношение N_св./N_льд. = 0,408 в сторону его уменьшения, что подтверждено экспериментами.

Этот сдвиг N_св./N_льд. в сторону его уменьшения как раз и позволяет использовать этот способ и в разомкнутах системах с забором воды от внешнего источника и последующим ее сбросом во внешний отстойник ввиду дополнительного запаса "аномальной" энергии, подаваемой на завихритель или кавитатор. Надо отметить, что это магнитное поле является только катализатором природного механизма восстановления надмолекулярных структур, и энергия этого магнитного поля не соизмерима с энергией запасаемых надмолекулярных связей, что также подтверждается экспериментами.

Направляя линии напряженности магнитного поля поперек направлению движения жидкости, мы согласно экспериментальным данным усиливаем механизм восстановления надмолекулярных структур, и это усиление становится максимальным, когда угол между линией напряженности магнитного поля и направлением движении жидкости близок к 90^o.

На чертеже представлено устройство, реализующее способ.

Циркуляционный контур отопления, реализующий предлагаемый способ нагрева жидкости, содержит последовательно установленные насос 1, подающую трубу 2, завихритель 3 с тормозным устройством 4 на его выходе, радиаторы 5, своими выходами с помощью подающей трубы 2 сообщенные с входом в насос 1. Вокруг подающей трубы 2 установлен электромагнит 6. Имеется подпитывающая магистраль 7 с запорным краном 8, подключенная к входу насоса 1.

Способ реализуют следующим образом.

В замкнутом циркуляционном контуре отопления в завихрителе 3 создают вихревой режим течения воды. В подающей трубе 2 перед подачей воды в завихритель 3 на нее воздействуют магнитным полем, напряженность которого превышает напряженность магнитного поля Земли с помощью электромагнита 6. Это приводит к принудительному изменению структуры воды в сторону увеличения надмолекулярных структур за счет ускорения природного механизма восстановления разрушенных в завихрителе 3 надмолекулярных структур. В завихрителе 3 и тормозном устройстве 4 преобразуют энергию вихревого движения воды в тепловую и, кроме того, с помощью вихревого движения частично разрушают надмолекулярные структуры воды и высвобождают дополнительную "аномальную" энергию воды. Горячую воду из завихрителя 3 и тормозного устройства 4 направляют в радиаторы 5, где тепло передают потребителю а уже охлажденную воду из радиаторов 5 направляют на вход в насос 1, и цикл нагрева повторяется снова.

Авторами были проведены опытные проверки предлагаемого способа нагрева жидкости.

Источником мощных УЗ-колебаний для получения кавитационного режима воды служил генератор УЗГ-4M, нагруженный резонансными магнитострикционными преобразователями ПМС-2,5 на 16 кГц, встроенными в дно цилиндрической камеры, через которые пропускался поток воды с регулируемым напором. Tемпературы и давления в камерах измерялись с требуемыми точностями. Пробы воды отбирались с учетом экспозиций в камерах [8]. Для измерения изменений отношений концентраций надмолекулярных структур применялся специальный способ, достоверно определяющий изменение их отношения в пределах точности ± 10%. Сутью этого специального способа являлось измерение разности поведения обработанной относительно необработанной взятой из проб воды либо седиментацией окрашенного коллоидного раствора, либо скоростью фильтрации (способ был опробован в ИОФАНе в лаборатории доктора физико-математических наук Ю.Н. Петрова в 1990 г.).

Результатами измерений явилoсь cледующее:
а) определение влияния УЗ-воздействий кавитационного характера на поток воды, изменяющих отношение концентраций Холла (N_св/N_льд.) от природного 0,408 до 4 максимально, и времени свободного восстановления от возбужденных состояний до природного отношения концентраций Холла 0,408, которые в среднем оказались от 48 до 56 ч;
б) определение влияния на поток циркулирующей воды магнитного поля, воздействующего на эту воду. В случае воздействия внешнего магнитного поля были получены изменения отношения концентраций Холла (N_св/N_льд.) от природного 0,4 до 0,15 и времени восстановления природного отношения за 18 ч при снятии этого внешнего магнитного воздействия;
в) определение влияния магнитного поля на поток воды, на который было оказано воздействие кавитационного характера. Совокупность последовательных воздействий УЗ-кавитационного характера и магнитного на поток воды позволилa сразу получить из возбужденного ультразвуком состояния природное непосредственно в потоке [9].

На основании приведенного для предлагаемого способа был выполнен проверочный эксперимент.

При циркуляции воды в схеме кавитатор - нагрузка - магнитный восстановитель (подающая труба, вокруг которой установлен электромагнит) - снова кавитатор (при непрерывной циркуляции) при общем количестве воды в схеме 20 л и сетевой электрической мощности, которая тратится на нагрев - 2 кBт, было получено:
начальный темп нагрева 1,5^oC в 1 мин;
конечный темп нагрева через 2 ч циркуляции при расходе 0,2 л/мин - 0,5^oC в 1 мин (при выключенном электромагните);
конечный темп нагрева через 2 ч циркуляции при расходе 0,2 л/мин - 1,5^oC в 1 мин (при включенном электромагните).

Данные результаты доказывают правоту предлагаемого способа: если в начале циркуляции, пока сохранялось в воде природное соотношение надмолекулярных Xолловских структур, имелись условия "аномального" нагрева, то по мере их разрушения "аномальность" плавно уменьшалась, пока фактически не исчезла совсем, о чем свидетельствует в 3 раза меньший темп нагрева. И, наоборот, при воздействии на воду перед созданием в ней кавитационного режима течения магнитным полем "аномальный" темп нагрева сохраняется.

Источники информации
1. Патент РФ N 2045715, МКИ: F 02 B 29/00, опубл. 1995 г.

2. Патент РФ N 2125215, МКИ: F 02 B 29/00, опубл. 1999 г.

3. Патент РФ N 2132025, МКИ: F 02 B 29/00, опубл. 1999 г.

4. Патент РФ N 2131094, МКИ: F 02 B 29/00, опубл. 1999 г.

5. Холл Л. Phys. Rev., 73.775, 1948.

6. Ларионов Л.В. и др. Кавитатор для гидрофизических теплогенераторов.- Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, N 2, 1999 г., с. 34.

7. Фридман В.Н. Диссертация на соиск. к.т.н. "Исследование возможности интенсификации ф/х процессов при возникновении в жидкости кавитации", с. 62-77, М., 1970.

8. Еськов-Сосковец В. М. и др. Значение структуры воды в пивоваренном производстве, ЦНИИТЭИП, B2, М., 1975.

9. Еськов-Сосковец В. M. и др. Перспективы развития электрофизических методов обработки пищевых продуктов и оборудования (обзор), ЦНИИТЭИЛ, М., 1977 г.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для нагрева жидкости. Способ особенно эффективен в замкнутых циркуляционных контурах отопления зданий. В замкнутом циркуляционном контуре отопления в завихрителе создают вихревой режим течения воды. В подающей трубе перед подачей воды в завихритель на нее воздействуют магнитным полем, напряженность которого превышает напряженность магнитного поля Земли с помощью электромагнита. Это приводит к изменению структуры воды в сторону увеличения надмолекулярных структур за счет ускорения природного механизма восстановления разрушенных в завихрителе надмолекулярных структур. В завихрителе и тормозном устройстве преобразуют энергию вихревого движения воды в тепловую и с помощью вихревого движения частично разрушают надмолекулярные структуры воды и высвобождают дополнительную "аномальную" энергию воды. Горячую воду из завихрителя и тормозного устройства направляют в радиаторы, где тепло передают потребителю, а уже охлажденную воду из радиаторов направляют на вход в насос, и цикл нагрева повторяется снова. Техническим результатом изобретения является обеспечение "аномально" высокого тепловыделения для ассоциированных жидкостей в системах нагрева в непрерывном режиме путем восстановления или усиления этой "аномальности" искусственно с затратами энергии на это, не соизмеримыми с получаемым выигрышем. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ нагрева жидкости, преимущественно в замкнутых циркуляционных контурах отопления, путем создания вихревого или (и) кавитационного режима течения жидкости и последующего преобразования полученной энергии в тепловую, отличающийся тем, что для ассоциированных жидкостей в движущемся потоке жидкости перед созданием в нем вихревого или (и) кавитационного режима течения принудительно изменяют структуру жидкости в сторону увеличения надмолекулярных структур, для чего воздействуют на эту жидкость магнитным полем с напряженностью, превышающей напряженность магнитного поля земли. 2. Способ нагрева жидкости по п.1, отличающийся тем, что линии напряженности магнитного поля направляют поперек направлению движения жидкости.