Электронагревающее устройство Российский патент 2004 года по МПК F01K11/00 

Изобретение относится к области теплотехники, точнее к устройствам, которые используют электроэнергию для получения тепла.

Любые электронагревательные устройства, использующие электроэнергию, передают ее окружающей среде со 100% коэффициентом и отличаются лишь способом передачи тепла объекту нагрева - излучением или конвекцией, что и понимается под эффективностью одного устройства относительно другого. Между тем вопрос экономии топлива и электроэнергии актуален, ведь на рынке энергоносителей обращаются сотни миллиардов долларов, а их запасы ограничены. Реальную экономию может дать применение внешнего источника возобновляемой энергии - воды, ветра и т. д.

Известно устройство (см. RU 2045715, кл. F 25 B 29/00, 10.10.1993), способное преобразовать механическую энергию потока жидкости под давлением, например поток артезианской скважины, в тепловую. В нем высокочастотная вибрация стержней в потоке вызывает его нагрев, в последующем поток воды, проходя систему радиаторов, используется для обогрева. Трение как на макро, так и на молекулярном уровне (микроволновая печь) широко используется как механизм нагрева.

Для применения этого изобретения необходим источник потока жидкости под довольно высоким давлением. Природные артезианские бассейны расположены не всегда там, где существует потребность в источниках тепла, к тому же бурение скважины стоит довольно дорого. Применение же электропривода для насоса, как предлагается автором (газета "Деловой мир" от 18.11.92 и 31.11.92), лишает изобретение сущности как экономической, так и научно обоснованной эффективности.

Из известных электронагревающих устройств наиболее близким является электронагревающее устройство (см. RU 2177203, кл. F 01 F 11/00, 20.12.2001), содержащее электролизер с пробкой для заполнения щелочного электролита и трубками системы сбора газов, анод и катод которого подсоединены к источнику постоянного тока, и реактор, соединенный с электоролизером трубками.

Недостатками известного устройства являются сложность и низкая надежность.

Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее изобретение, является устранение указанных недостатков путем создания дополнительного источника тепловыделения в процессе теплопередачи за счет освобождения энергии потока охлаждающего теплоносителя, запасенной во внутренней структуре воды при конденсации пара.

Технический результат достигается тем, что в электронагревающем устройстве, содержащем электролизер с пробкой для заполнения щелочного электролита и трубками системы сбора газов, на электролизере закреплена соединенная с ним через ниппели тепловая труба с стаканом, внутри которого при заполнении водой образуется газовый затвор.

Технический результат достигается также тем, что электронагревающее устройство содержит систему клапанов, которые обеспечивают несмешивание воды и электролита и уравнивание давления газа над их поверхностями.

На чертеже представлена структурная схема электронагревающего устройства.

Электронагревающее устройство состоит из вертикально расположенного корпуса 1 (собственно тепловой трубы), составляющего одно целое с электролизером 2. В рабочем состоянии устройство герметично. В электролизере расположены пластины анода и катода 3, на которых выделяется водород и кислород при прохождении постоянного тока от источника (И) через раствор едкого натра NaOH. По системе сбора и трубкам 4 газы попадают в полый цилиндр (стакан) 5, в котором образуется газовый затвор под гидростатическим давлением частично наполненной водой тепловой трубы. Реактор 6 служит синтезатором воды из кислорода и водорода. Он может быть каталическим с предварительным подогревом катализатора или горелкой с открытым пламенем и поджигом. Выбор типа реактора определяется давлением подходящих газов и необходимой скоростью синтеза.

Через клапаны с односторонней проводимостью 7 (ниппели) и подводящие трубки 8вода может поступать в электролизер. Уравнительная трубка 9 и ниппель 10 служат для нивелирования давления газа в трубке и тепловой трубе и уровней воды и электролита. Для заливки в устройство воды и электролита служат пробки 11 и 12. Пробка 11, кроме этого, служит штуцером для откачки воздуха и предохранительным клапаном. Электроды обменного типа. В устройстве применены конструкционные материалы, способные противостоять коррозии в горячей щелочи и воде. С целью облегчения веса устройства при деформирующих нагрузках оно может быть снабжено сильфонами (не показаны). Для увеличения теплоотдачи "холодный" конец тепловой трубы может иметь У-образную форму и снабжаться теплорадиаторами.

Для подготовки устройства к работе в электролизер заливают раствор щелочи до заполнения электролизера и уровня стакана 5. Затем через пробку 11 заливают воду, чтобы она прикрыла стакан, и внутри него образовался газовый затвор (по принципу "воздушного колокола"). После чего воду и электролит наливают одновременно до требуемого уровня с тем, чтобы ниппели 7 были на грани открывания. Затем через пробку-штуцер 11 откачивается воздух. Разрежение выбирается таким, чтобы совместно с гидростатическим давлением препятствовать кипению электролита в электролизере и обеспечивать рабочий режим тепловой трубы.

Для бытовых целей достаточно в диапазоне от 40 до 100 градусов по Цельсию обеспечить насыщение пара, когда

n₁ = n₂, (1)

где n₁ - количество молекул, покидающих жидкость,

n₂ - количество молекул, конденсирующихся в жидкость,

аих масса обеспечила требуемую теплопередачу. Расширение температурного диапазона сопряжено с увеличением размеров устройства, так как давление в 1 кг/см обеспечивает столб воды десятиметровой высоты.

Таким образом, перед пуском устройства в У-образном колене сообщающихся сосудов тепловая труба - уравнительная трубка давление газа одинаково, а уровень электролита превышает уровень воды, закрывая ниппели. Газовый затвор препятствует проникновению электролита в тепловую трубу, и вода, и электролит не смешиваются.

При пуске устройства электрический ток, проходя через электролит, разлагает воду на кислород и водород, которые выделяются на электродах. Под действием архимедовой силы газы по трубкам 4 подаются к реактору 6, где на катализаторе вступают в реакцию синтеза, образуя воду и тепло. При пуске катализатор подогревается (механизм не показан) до температуры устойчивой реакции синтеза. В дальнейшем температура катализатора поддерживается теплом синтеза (беспламенное горение). Горение может быть и обычным. Однако при этом гидростатическое давление должно быть довольно большим, а устройство содержать механизм поджига и механизм, обеспечивающий горение непосредственно в воде и образование газового затвора при остановке устройства. Уровень воды, температура, давление в тепловой трубе повышается, уровень электролита в электролизере понижается, ниппели 7 открываются, и в электролизер начинает поступать вода. Едкий натр относится к веществам, выделяющим тепло при растворении, что общеизвестно. При электролизе выделяется водород, а образование ионов водорода влечет за собой реакцию гидратации протона, выделяющую 1108 кДж/моль энергии в виде тепла при 25°С и бесконечном разбавлении. Таким образом, в устройстве образуется дополнительный источник тепловыдедения. Режим пуска длится до образования в тепловой трубе насыщенного пара и уравнивания давления и столбов жидкости в тепловой трубе и уравнительной трубке при постоянной теплоотдаче и потреблении тока устройством.

В рабочем режиме, при постоянной температуре и давлении устройство находится в состоянии динамического равновесия. Это состояние определяется выполнением двух условий:

1. Равновесие между жидкостью и насыщенным паром, когда выполняется соотношение (1) равенства количества испаряющихся и конденсирущихся молекул при стабильности охлаждения и подвода тепла.

2. Равновесие между водой и электролитом. Так как клапаны (ниппели) открыты, принцип сообщающихся сосудов поддерживает соотношение

ρ₁gh₁=ρ₂gh₂,

где ρ₁ - плотность электролита,

ρ₂ - плотность воды,

g - ускорение свободного падения,

h₁ - уровень электролита,

h₂ - уровень воды.

При этом интегральная плотность электролита в объеме электролизера при достижении рабочего режима остается постоянной. Это является необходимым и достаточным условием работы устройства в непрерывном режиме. В электролизере образуются (восстанавливаются) кислород и водород, так что происходит электролиз воды, при котором металлический натрий является катализатором. А образование ионов при разбавлении с выделением тепла происходит в "окне" диапазона концентраций электролита. В этом режиме фазовое изменение состояния вещества, изменение энергии связи вещества в молекулах, перенос массы в устройстве осуществляются по замкнутым циклам. Поэтому работа силы тяжести как интеграл по замкнутому циклу равна нулю. Поэтому цикл работы устройства в термодинамическом смысле отличается от общеизвестного цикла переноса тепла в тепловой трубе только более широким диапазоном изменения энтропии.

В аварийных ситуациях, когда срабатывает предохранительный клапан, вода улетучивается, концентрация электролита возрастает. Это приводит к уменьшению проводимости и прекращению работы устройства вследствие невозможности процесса электролиза.

Устройство может применяться для обогрева жилых и промышленных объектов. При обогреве теплиц это приведет к уменьшению себестоимости продукции. Устройство с тепловой мощностью 5-10 кВт имеет температуру и габариты охлаждающей поверхности, сравнимые с обыкновенной дровяной кирпичной печью. Это вполне совместимо с традициями сельского и дачного строительства.

Изобретение относится к области теплотехники, точнее к устройствам, которые используют электроэнергию для получения тепла. В электронагревающем устройстве, содержащем электролизер с пробкой для заполнения щелочного электролита и трубками системы сбора газов, анод и катод которого подсоединены к источнику постоянного тока, и реактор, соединенный с электоролизером трубками, на электролизере закреплена соединенная с ним через ниппели тепловая труба со стаканом, внутри которого при заполнении водой образуется газовый затвор. Устройство содержит систему клапанов, которые обеспечивают несмешивание воды и электролита и уравнивание давления газа над их поверхностями. Изобретение позволяет повысить надежность работы устройства и эффективность получения тепла. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электронагревающее устройство, содержащее электролизер с пробкой для заполнения щелочного электролита и трубками системы сбора газов, анод и катод которого подсоединены к источнику постоянного тока, и реактор, соединенный с электоролизером трубками, отличающееся тем, что на электролизере закреплена соединенная с ним через ниппели тепловая труба со стаканом, внутри которого при заполнении водой образуется газовый затвор.2. Электронагревающее устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит систему клапанов, которые обеспечивают несмешивание воды и электролита и уравнивание давления газа над их поверхностями.