СПОСОБ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 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.

Известны способ и устройство для нагрева жидкости, основанные на эффекте избыточного (относительно затраченной механической энергии) тепловыделения при кавитации в объеме жидкости, в частности воды, при воздействии на него знакопеременного давления [патент США 4333796, 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 (амплитудное давление в звуковой волне порядка атмосферы).

Недостаток этого изобретения заключается в относительно невысокой экономической эффективности его применения, что связано, во-первых, с тем, что ограничена возможность повышения η путем оптимизации процессов энерговыделения с помощью регулирования параметров пузырьков, во-вторых, с относительно невысоким КПД, сложностью, дороговизной и громоздкостью мощных пульсаторов.

Известны способ и устройство для нагрева жидкости, основанное на эффекте избыточного тепловыделения при кавитации в объеме жидкости, содержащее источник кавитации, имеющий цилиндрический корпус, который на одном основании соединен с ускорителем движения жидкости в виде циклона, формирующим вращательное движение жидкости, на другом основании соединен с тормозным устройством, препятствующим этому движению; и снабжен укрепленным между ними торсионным устройством - комбинацией геликоидов, смещенных относительно друг друга в окружном направлении [патент РФ 2125215, 1998, Лунин Н.П., Становский Б. В. , Лунин Ю.Н., Становский А.Б.]. К его недостаткам также относится относительно невысокая эффективность преобразования электрической энергии в тепловую, что, видимо, связано с высоким уровнем турбулентности и с большой циркуляцией течения.

Наиболее близким к заявляемому по физической сущности, достигаемому результату и технической реализации является принятый за прототип известный способ тепловыделения в жидкости [патент РФ 2061195, 1995 г., Душкин А.Л., Краснов Ю. И.. Ларионов Л.В., Петухов В.Л.], в котором жидкость в замкнутом гидравлическом контуре с помощью насоса, приводимого в движение электрическим мотором, прогоняют через источник кавитации, причем за источником кавитации создают переменное по времени давление, для чего в жидкости формируют газовую подушку, объем которой варьируют до установления автоколебательного режима.

Там же описано устройство для осуществления этого способа, содержащее замкнутый гидродинамический контур, оснащенный теплообменником и содержащий последовательно расположенные насос с двигателем, источник кавитации центробежного типа (в качестве которого, например, может выступать многоканальная форсунка) и устройство управления давлением, выполненное в виде поршня, снабженного устройством для его перемещения.

Недостаток этого известного способа и устройства для его осуществления заключается в том, что достигается относительно невысокая эффективность преобразования электрической энергии в тепловую (по данным авторов этого способа и устройства, η до 121%), что, по-видимому, связано с тем, что не удается оптимизировать параметры жидкости в области кумуляции пузырьков: кумуляция последовательно формируемых пузырьков происходит при различных давлениях, а поток жидкости в области кумуляции пузырьков характеризуется значительной циркуляцией, т. к. он находится в турбулентном состоянии и закручивается в источнике кавитации центробежного типа.

Целью изобретения является получение максимального коэффициента преобразования электрической энергии в тепловую в кавитирующей жидкости.

Сущность изобретения состоит в том, что, как и в прототипе, обеспечивают формирование кавитации в замкнутом объеме жидкости при ее движении, и управление давлением за источником кавитации, но, в отличие от прототипа, в области схлопывания кавитационных пузырьков за источником кавитации обеспечивают ламинарный режим течения жидкости, а давление в области схлопывания кавитационных пузырьков за источником кавитации поддерживают постоянным избыточным.

Этот способ реализуется в устройстве, содержащем, как и прототип, замкнутый гидродинамический контур, оснащенный теплообменником и содержащий последовательно расположенные насос с двигателем, источник кавитации и устройство управления давлением, но имеющем, в отличие от прототипа, устройство управления давлением, являющееся устройством поддержания постоянного уровня избыточного давления, и источник кавитации, выполненный в виде, по крайней мере, одного сопла с характерным поперечным размером в диффузорной части сопла, не превышающим
Re^*ν/v,
где Re^*= 2200 - характерное число Рейнольдса, соответствующее переходу режима течения жидкости в турбулентный;
ν - вязкость жидкости;
v - скорость жидкости в диффузорной части сопла.

Диффузорная часть сопла может быть выполнена, например, в виде осесимметричной радиальной, или конической, или осесимметричной криволинейной щели, или плоской щели переменной ширины, или источник кавитации может быть выполнен в виде набора параллельно расположенных осесимметричных сопел без центрального тела.

Идея заключается в том, чтобы поддерживать в области схлопывания пузырьков (где, по-видимому, и происходят основные реакции, приводящие к избыточному тепловыделению) оптимальное, высокое давление жидкости, а также минимизировать ее циркуляцию. Как показано ниже, это должно приводить к большей степени сферически симметричной кумуляции и, очевидно, к более высоким параметрам сжатия и нагрева вещества, т.е. к большей интенсивности реакций избыточного тепловыделения.

Это решается тем, что в замкнутом объеме жидкости при ее движении также формируют кавитацию и осуществляют управление давлением за источником кавитации, но, в отличие от прототипа, источником кавитации является сопло с ламинарным режимом течения жидкости в диффузорной части сопла, где и расположена область схлопывания пузырьков, а давление за источником кавитации поддерживают постоянным избыточным.

Избыточное тепловыделение при кавитации, по-видимому, связано с тем, что при схлопывании кавитационных пузырьков происходит кумуляция - многократное повышение давления и температуры среды в микроскопической окрестности центра пузырька. Вещество там переходит в плазменное состояние, по некоторым данным [Flint E.B., Suslick K.S. Science, 1991. V. 253. P. 1397; Hiller R., Putterman S. J., Barber B.P. Phys. Rev. Lett. 1992. V. 69. P. 1182], температура его достигает 10⁵-10⁶ К. В этой среде при экстремальных параметрах происходят экзотермические реакции трансформации ядер молекул жидкости, определяющие избыточное энерговыделение. Очевидно, вероятность этих реакций сильно, экспоненциально возрастает с повышением экстремальных значений давления и температуры среды при кумуляции. Кумуляция тем сильнее (т.е. тем выше экстремальные значения давления и температуры среды), чем больше начальная характерная скорость схлопывающихся стенок полости (на что влияет начальный уровень давления в окружающей пузырек жидкости), чем больше отношение начального и конечного размеров полости (это определяется в значительной мере сохранением симметрии кумулирующей каверны) и чем круче нарастает со временем зависимость скорости стенок (на что влияют вязкость жидкости, противодавление газообразного содержимого каверны и др.) [Забабахин Е.И., Забабахин И.Е. Явления неограниченной кумуляции. М.: Наука. 1988. 173 с.].

Влияние циркуляции на кумуляцию проявляется как появление эффективного противодавления при схлопывании полости за счет центробежных сил. При движении элемента идеальной жидкости к центру сохраняется момент количества движения ν_ϕr, т.е. нарастает азимутальная скорость вращения ν_ϕ, что приводит к быстрому увеличению объемной центробежной силы F_c= ρν2ϕ

/r. Противодавление, связанное с этим, можно определить как
p_c= _rcf∫^RminF_cdr,
здесь R_min - радиус, на котором F_c минимальна. Вычисления по вышеприведенным соотношениям дают

здесь ω₀ - начальная угловая скорость вращения, r_с0- начальный радиальный размер полости, С_с - его отношение к конечному размеру полости r_cf (степень сжатия пузырька), ρ₀ - нормальная плотность жидкости. При характерных относительно больших степенях сжатия С_с >> 1 это выражение упрощается до
p_c= ρ₀ω20r2c0C2c/2.
Видно, что значение эффективного противодавления p_с тем выше, чем больше начальная угловая скорость вращения жидкости ω₀, выше степень сжатия С_с и больше начальный размер пузырьков r_с0. Значение противодавления р_с начинает превышать внешнее давление р₀ при
C_c> C*c = [1/ω₀r_c0)](2p₀/ρ₀)^1/2.
Это вносит ограничения на достижимую степень сферически-симметричного сжатия крупных пузырьков в потоках с заметной закруткой, более значительные при невысоких давлениях среды. Например, при r_с0=1 мкм, ω₀= 10⁵1/c (т.е. при начальной азимутальной скорости вращения у поверхности ω₀r_c0= 0.1 м/с), ρ₀= 10³ кг/м³ и р₀= 10 атм - C*c = 447, а при р₀=1 атм - C*c = 141. Видно, что ограничение кумуляции тем больше, чем больше локальная начальная закрутка жидкости и ниже начальное давление потока в окрестности пузырька.

В случае существенной начальной скорости вращения жидкости в окрестности пузырька на последних стадиях сжимается не сферическая, а тороидальная полость. Об этом свидетельствуют, например, фотографии микроскопического пузырька, кумулирующего в фокусе ультразвукового излучения - он по форме близок к тору. Минимизация этого эффекта приводит к большей симметрии кумуляции и к достижению более высоких температур и давлений.

Это и приводит к преимуществу предложенного способа, в котором обеспечивается выполнение в зоне кумуляции пузырьков условий малой циркуляции жидкости и постоянного высокого уровня давления р₀.

Последнее условие достигается тем, что в рабочей жидкости за соплом с помощью устройства поддержания избыточного давления (например, содержащего замкнутый объем, заполненный газом, и соответствующим образом настроенный предохранительный клапан) обеспечивается давление р₀, существенно (более чем вдвое) превышающее атмосферное.

Минимизация циркуляции жидкости достигается, во-первых, за счет отказа от центробежных источников кавитации, в которых организуется макроскопическое вращение жидкости, во-вторых, за счет отказа от турбулентных режимов течения в области кумуляции, при которых формируются вихри как больших, так и малых размеров.

Граница между устойчивым ламинарным режимом и неустойчивым, переходным к турбулентному, как известно, в каналах проходит при значениях числа Рейнольдса Re= νL/v, превышающих Re*≈2200, где ν - кинематическая вязкость, v - скорость, L - характерный поперечный размер; в случае обычного сопла (т.е. осесимметричного, односвязного, без центрального тела) L - радиальный размер, для щелевого сопла L - ширина щели [Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидравлическое сопротивление: Справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат. 1990. 367 с.]. Отсюда видно, что вариация L пропорционально меняет Re и тем самым позволяет управлять устойчивостью течения (а следовательно и локальной циркуляцией); например, для воды с температурой 40-80 С при характерных расходах воды порядка 10 м³/час и давлениях порядка 10 атм в оптимизированном радиальном щелевом сопле с отношением поперечной длины к ширине щели порядка 100 значения Re в 3-10 раз меньше Re*, т.е. течение остается ламинарным, тогда как для обычного сопла при тех же условиях и той же площади сечения потока Re в 3-10 раз больше Re*, т.е. течение неустойчиво и переходит к турбулентному.

Технический результат данного изобретения и заключается в том, что обеспечивается высокая эффективность преобразования вводимой в контур энергии в тепловую. Реализация изобретения относительно проста, обеспечивает относительную дешевизну, надежность и долговечность реализующих его устройств, т.е. высокую эффективность их применения в нагревательных системах различных назначений.

Сущность данного изобретения поясняется чертежами фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего вышеописанный способ тепловыделения в жидкости. Устройство содержит замкнутый гидродинамический контур 1, содержащий последовательно расположенные насос 2 с мотором 3, источник кавитации 4 в виде сопла с конфузорной и диффузорной частями (причем в диффузорной части сопла характерный поперечный размер не превышает Re* ν/v), и устройство управления давлением 5, которое обеспечивает поддержание постоянного уровня избыточного давления; контур оснащен теплообменником 6 (для дальнейшего использования генерируемого тепла).

На фиг. 2 изображены различные возможные варианты выполнения кавитатора: он может содержать, например, плоскую щель переменной ширины (фиг. 2, а) (при подвижных или сменных стенках щели она наиболее удобна для экспериментальной оптимизации процессов формирования пузырьков), щель осесимметричную радиальную (фиг. 2, б) (она наиболее проста в изготовлении), коническую (фиг. 2, в), осесимметричную криволинейную (фиг. 2, г) (они дают больше возможностей оптимизации по сравнению с радиальной щелью), параллельно расположенные осесимметричные сопла без центрального тела (фиг. 2, д) (что может быть удобнее конструктивно), и др. (стрелочками обозначены потоки жидкости).

Устройство управления давлением может, например, содержать предохранительный клапан, связанный с газовой подушкой, созданной в жидкости.

На данной схеме не показаны некоторые другие узлы, традиционные для гидравлических систем (обеспечивающие заливку, слив, подпитку жидкости, контроль параметров потока и др.).

Следует отметить, что хотя намеренное повышение избыточного давления в контуре относительно легко осуществимо, оно нетривиально, т.к. требует специального учета при принятии конструктивных решений, при эксплуатации, сертификации и др.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Гидравлический контур 1 заполняют жидкостью, например водой; включают устройство управления давлением 5; включают мотор 3, приводящий в движение насос 2. Последний прокачивает жидкость через источник кавитации 4. При многократном проходе по замкнутому гидравлическому контуру 1 жидкость нагревается (по крайней мере из-за работы сил вязкого трения), что приводит к повышению давления в контуре, в том числе в области за источником кавитации, до уровня р₀, определяемого устройством управления давлением 5. В конфузорной части сопла (сопел) источника кавитации 4 жидкость ускоряется, а в диффузорной части создаются условия роста кавитационных пузырьков. На выходе ламинарного потока из сопла происходит кумуляция этих пузырьков при условиях малой циркуляции и высокого давления р₀, что обеспечивает высокую эффективность реакций, приводящих к избыточному тепло выделению. Генерируемая в контуре тепловая энергия передается потребителям через теплообменник 6.

В проведенных экспериментах с помощью вышеописанного устройства с радиальной щелью при повышенных давлениях в контуре (р₀ более десяти атмосфер, где р₀ - давление в жидкости за кавитатором) получена стабильно высокая эффективность преобразования электрической энергии в тепловую - η до 350-400%. Существенно, что при уменьшении давления и/или при применении источника кавитации центробежного типа (с большой циркуляцией и турбулентным режимом течения) значение η снижалось в несколько раз.

Способ тепловыделения в жидкости и устройство для его осуществления используется в теплоэнергетике в аппаратах нагрева различного назначения. Сущность изобретения: способ и устройство для его осуществления позволяют в кавитирующей жидкости в области кумуляции микроскопических кавитационных пузырьков постоянно поддерживать условия, способствующие повышению экстремальных параметров среды на последних стадиях кумуляции: условие повышенного среднего давления жидкости и условие малого значения начальной циркуляции жидкости в окрестности пузырька. Последнее условие достигается обеспечением ламинарного режима течения путем применения источников кавитации в виде сопел с малым поперечным размером. Это приводит к существенному (в несколько раз) повышению коэффициента преобразования поступающей в систему энергии в тепловую. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ тепловыделения в жидкости, включающий формирование кавитации в замкнутом объеме жидкости при ее движении, и управление давлением за источником кавитации, отличающийся тем, что в области схлопывания кавитационных пузырьков за источником кавитации обеспечивается ламинарный режим течения, а давление в этой области поддерживается постоянным избыточным. 2. Устройство для тепловыделения в жидкость, содержащее замкнутый гидродинамический контур, оснащенный теплообменником и содержащий последовательно расположенные насос с двигателем, источник кавитации и устройство управления давлением, отличающееся тем, что устройство управления давлением является устройством поддержания постоянного уровня избыточного давления, а источник кавитации выполнен в виде по крайней мере одного сопла с характерным поперечным размером в диффузорной части сопла, не превышающим
Re* ν/v,
где Re*= 2200 - характерное число Рейнольдса, соответствующее переходу режима течения жидкости в турбулентный;
ν - вязкость жидкости,
v - скорость жидкости в диффузорной части сопла. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диффузорная часть сопла выполнена в виде осесимметричной радиальной щели. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диффузорная часть сопла выполнена в виде конической щели. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диффузорная часть сопла выполнена в виде криволинейной осесимметричной щели. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диффузорная часть сопла выполнена в виде плоской щели переменной ширины. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник кавитации выполнен в виде набора параллельно распложенных осесимметричных сопел без центрального тела.