СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И ВИХРЕВАЯ ТРУБА ГРИЦКЕВИЧА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК F25B9/04 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для производства как тепловой, так и электрической энергии, а также для изменения температуры потока жидкости.

Широко известно использование для преобразования и получения энергии вихревой трубы французского инженера Ж.Ранке [патент США №1952281, 1934], первоначально используемой для разделения потока газа на горячий и холодный. Устройство содержит цилиндрическую трубу с циклоном на одном конце, присоединенном к корпусу одной торцевой стороной, и диафрагмой на другом конце (холодная часть), и тормозное устройство в виде регулировочного конуса внутри корпуса в конце, противоположном циклону (горячая часть). Сжатый газ подается через циклон в трубу по касательной, где разделяется в вихревом потоке на холодную (центральную) и горячую (периферийную) составляющие. Через диафрагму из трубы выходит холодный поток, а горячий поток выходит через зазор между внутренней поверхностью трубы и регулировочным конусом.

В дальнейшем работы по повышению эффективности работы вихревой трубы Ранке велись в направлении оптимизации параметров конструктивных элементов, например, путем использования конусного корпуса [а.с. СССР №1304526, 1976], за счет оптимизации размерных соотношений [патент США №5327728, 1994], с помощью введения в проточную часть элементов, организующих и сохраняющих ламинарный и турбулентный режим потока [заявка РФ №5067921, опубл. 09.01.1995], за счет взаимосвязей между элементами - например, подключения горячего потока к выходу холодного [заявка РФ №95110338, опубл. 20.06.1997].

Использование известных конструкций газовых вихревых труб Ранке не достаточно эффективно, в частности потому, что не используется энергия движения заряженных частиц, возникающих в процессе вихревого движения потока, и особенности соотношения термодинамических параметров в различных сечениях потока.

Известен способ преобразования потенциальной энергии потока газа в электрическую энергию с помощью других средств, например путем его ионизации и ускорения в направляющем канале с последующим разделением электрических зарядов посредством магнитного поля устройства для съема электрической энергии, в котором дополнительно обеспечивают вращение газового потока в направляющем канале, а ионизацию и вращение осуществляют с помощью расположенной в канале спирали с остриями для стекания зарядов [патент RU №2093703, 1997].

Позже было произведено разделение в вихревой трубе Ранке потока жидкости, в частности воды. Простейшая вихревая труба для такого разделения, используемая для нагрева воды, выбранная в качестве прототипа, содержит трубчатый корпус с циклоном на одном конце, присоединенном к корпусу одной торцевой стороной [патент РФ №2045715, 1995]. Однако, при использовании такой трубы Ранке для преобразования энергии жидкости не используется энергия движения заряженных частиц и недостаточно используются особенности соотношения термодинамических параметров в различных сечениях потока.

Решаемая техническая задача - повышение эффективности работы вихревой трубы, использующей эффект Ранке, а также расширение функциональных возможностей - получение электрической энергии.

Поставленная задача достигается следующим образом.

Предлагается способ преобразовании энергии движущегося потока жидкости в вихревой трубе на основе эффекта Ранке, новым согласно которому является то, что дополнительно получают электрическую энергию, снимаемую с электромагнитных обмоток, расположенных на корпусе вихревой трубы из диэлектрического материала с коэффициентом диэлектрической проницаемости больше, чем у жидкости, и/или имеющего внутри покрытие с коэффициентом диэлектрической проницаемости больше, чем у жидкости.

Корпус трубы лучше изолировать от Земли.

Возможен подогрев жидкости в горячей части вихревой трубы с помощью электрической энергии, вырабатываемой на обмотках корпуса. При этом эффект от такого подогрева несколько выше, чем от подогрева исходной жидкости.

Также заявляется вихревая труба, которая может быть использована для осуществления способа, содержащая трубчатый корпус с циклоном на одном конце, присоединенном к корпусу одной торцевой стороной. Новым является то, что хотя бы корпус не заземлен и выполнен из неэлектропроводного материала, обладающего электростатическими свойствами, причем коэффициент диэлектрической проницаемости материала корпуса и/или покрытия его внутренней поверхности больше, чем у жидкости, для которой используется вихревая труба. Совокупность заявляемых признаков позволяет исключить потери энергии свободных заряженных частиц, возникающих в ходе процессов, описанных выше.

Другая торцевая сторона циклона может содержать диафрагму, соосную с корпусом, с отверстием, диаметр которого меньше внутреннего диаметра корпуса.

Внутри корпуса в конце, противоположном циклону, может быть смонтировано тормозное устройство, например, в виде регулировочного конуса, в частности полого, установленного с зазором соосно корпусу.

Для преобразования энергии движения возникающих свободных заряженных частиц на корпусе может быть выполнена электромагнитная обмотка.

При этом лучше, когда в качестве покрытия используется сегнетоэлектрический материал, т.к. сегнетоэлектрик в большей степени способен к спонтанной поляризации в стабильное состояние, чем обычный диэлектрик, под действием, в частности, трения потока, при этом ориентированные диполи диэлектрика создают относительно стабильное магнитное поле, взаимодействующее с возникающими в потоке заряженными частицами.

Тормозное устройство может быть снабжено нагревателем, лучше электрическим. Причем такой электронагреватель лучше выполнять в виде как минимум одной пары электродов, один из которых смонтирован на тормозном устройстве, а другой - напротив на корпусе. Возможно размещение несколько пар электродов, рабочая часть которых находится в зазоре между конусом и внутренней поверхностью корпуса. Лучше, когда электронагреватель электрически соединен с обмоткой.

Нагреватель также может содержать форсунку для сжигания жидкого или газообразного топлива, причем сопло форсунки направлено внутрь полости регулировочного конуса.

Изобретение поясняется чертежом вихревой трубы Грицкевича.

Изобретение поясняется на примере водяного теплоэлектрогенератора на основе вихревой трубы Грицкевича. Стрелками на чертеже показано направление движения потоков жидкости.

Вихревая труба содержит трубчатый корпус 1 с теплой частью, включающей циклон в виде улитки 2 с инжекционным патрубком 3 и диафрагмой с отверстием 4. Горячая часть трубы содержит выпускной патрубок 5, регулировочный конус 6 с устройством 7 осевой регулировки и пары электродов 8, равномерно распределенных по окружности зазора между корпусом 1 и конусом 2. Корпус 1 покрыт внутри тонким слоем 9 синергетика, а снаружи снабжен электромагнитной обмоткой 10. Корпус 1, улитка 2, конус 6 и патрубки 3, 5 выполнены из пластмассы и изолированы от Земли.

Поток холодной воды, поступающий в вихревую трубу по патрубку 3, разделятся в вихревом движении, создаваемом улиткой 2, в корпусе 1 на теплую (центральную) и горячую (периферийную) части. Горячая часть потока, прилегающая к внутреннему слою 9, вращаясь, движется к горячей части корпуса 1 и выходит из нее через кольцевой зазор между краем корпуса 1 и конусом 2. Теплая часть потока, отражаясь от конуса 4, вращаясь, движется к отверстию 4 и выходит из него. Частично ионизированная вода, ионизируется дополнительно за счет высоковольтных разрядов электродами 8, с помощь этих разрядов также осуществляется дополнительный подогрев воды. За счет электромагнитной индукции в обмотках 10 возникает ЭДС. Электроэнергия с обмоток 10 используется для создания разрядов между электродами 8.

Физические процессы, происходящие при этом, выражаются в следующем. При температуре 25°С степень диссоциации воды достаточно мала. Однако, при ее нагреве выше указанной температуры этот показатель существенно возрастает - недавние исследования показали, что степень диссоциации чистой воды при ее нагреве значительно увеличивается в интервале температур до 300°С (в 4000 раз по сравнению с 0°С), что позволяет использовать чистую воду как растворитель, реагент, катализатор и т.п. [Near Critical Water // Chemical & Engineering News, No.1, January 3, 2000, P.26]. При этом особенности гидродинамики потока в вихревой трубе заключаются в следующем. Горячая часть потока, прилегающая к внутреннему слою 9, движется вдоль оси в противоположном направлении к направлению теплой части потока, отраженного от конуса 4 и вращающегося встречно горячему потоку. Т.о. на границе горячего и теплого потоков образуется термодинамическая пара, представляющая собой цилиндрическую соосную оси прослойку термодинамического процесса постоянного фазового перехода вода-пар-вода. Образующийся в прослойке пар конденсируется в основном на горячей части потока (за счет центробежных сил), что объясняет больший нагрев горячей части потока. Кроме того, образующийся пар увеличивает давление воды внутри корпуса 1, что приводит к увеличению как температуры кипения, так и температуры горячей части потока и, в свою очередь, значительно увеличивает степень диссоциации воды, особенно вблизи прослойки. За счет этого и за счет сил межмолекулярного трения создается статическая разность потенциалов, напряженность электрического поля при этом в чистой воде достигает 0,4-120 кВ/см. Подобная гидродинамическая модель уже известна из уровня техники [публикация WO 90/00526, 1990], в известном способе дезагломерации воды создают противонаправленные потоки воды и вызывают их соударение, при этом в описании этого изобретения отмечено, что при таком соударении происходит нагрев воды с выделением тепла, дополнительного к тому, которое является результатом преобразования кинетической энергии движущейся воды, и, кроме этого, указывается на выделение также электрической энергии, обусловленное разрывом водородных связей (с образованием свободных электронов). Далее, горячая часть потока ионизированной частично воды с переизбытком электронов за счет молекулярного трения о слой 9 синергетика приводит к поляризации последнего и одинаковому ориентированию диполей доменов синергетика, создающих общее стабильное магнитное поле, взаимодействующее с заряженными частицами потока, упорядочивая их движение, что в конечном счете приводит к возникновению ЭДС в электромагнитной обмотке 10.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для производства как тепловой, так и электрической энергии, а также для изменения температуры потока жидкости или газа. При преобразовании энергии движущегося потока жидкости в вихревой трубе дополнительно получают электрическую энергию, снимаемую с электромагнитных обмоток. Электромагнитные обмотки расположены на корпусе. Корпус не заземлен и выполнен из диэлектрического материала с коэффициентом диэлектрической проницаемости больше, чем у жидкости. Использование изобретения позволит повысить эффективность работы вихревой трубы и расширить ее функциональные возможности. 2 с. и 14 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ преобразовании энергии движущегося потока жидкости в вихревой трубе на основе эффекта Ранке, отличающийся тем, что дополнительно получают электрическую энергию, снимаемую с электромагнитных обмоток, расположенных на корпусе вихревой трубы из диэлектрического материала с коэффициентом диэлектрической проницаемости больше, чем у жидкости, и/или имеющего внутри покрытие с коэффициентом диэлектрической проницаемости больше, чем у жидкости.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что корпус трубы изолируют от Земли.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют подогрев жидкости в горячей части вихревой трубы с помощью электрической энергии, вырабатываемой на обмотках корпуса.4. Вихревая труба для преобразования энергии потока жидкости, содержащая трубчатый корпус с циклоном на одном конце, присоединенным к корпусу одной торцевой стороной, отличающаяся тем, что хотя бы корпус не заземлен и выполнен из неэлектропроводного материала, обладающего электростатическими свойствами, причем коэффициентом диэлектрической проницаемости материала корпуса и/или покрытия его внутренней поверхности больше, чем у жидкости, для которой используется вихревая труба.5. Вихревая труба по п.4, отличающаяся тем, что другая торцевая сторона циклона содержит диафрагму, соосную с корпусом, с отверстием, диаметр которого меньше внутреннего диаметра корпуса.6. Вихревая труба по п.4, отличающаяся тем, что внутри корпуса в конце, противоположном циклону, смонтировано тормозное устройство.7. Вихревая труба по п.4, отличающаяся тем, что на корпусе выполнена электромагнитная обмотка.8. Вихревая труба по п.4, отличающаяся тем, что в качестве покрытия используется сегнетоэлектрический материал.9. Вихревая труба по п.6, отличающаяся тем, что тормозное устройство выполнено в виде регулировочного конуса, установленного с зазором соосно корпусу.10. Вихревая труба по п.6, отличающаяся тем, что тормозное устройство снабжено нагревателем.11. Вихревая труба по п.9, отличающаяся тем, что регулировочный конус выполнен полым.12. Вихревая труба по п.10, отличающаяся тем, что тормозное устройство снабжено электронагревателем.13. Вихревая труба по п.12, отличающаяся тем, что электронагреватель выполнен в виде как минимум одной пары электродов, один из которых смонтирован на тормозном устройстве, а другой - напротив на корпусе.14. Вихревая труба по п.7 или 12, отличающаяся тем, что электронагреватель электрически соединен с обмоткой.15. Вихревая труба по п.10 или 11, отличающаяся тем, что нагреватель содержит форсунку для сжигания жидкого или газообразного топлива, причем сопло форсунки направлено внутрь полости регулировочного конуса.16. Вихревая труба по п.9 или 12, отличающаяся тем, что содержит несколько пар электродов, рабочая часть которых находится в зазоре между конусом и внутренней поверхностью корпуса.