СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ТЕЧЕНИЯ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ И ЭНЕРГОПРЕОБРАЗУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО РОТОРНОГО ТИПА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК F28D11/02 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в энергетике, теплотехнике, химических технологиях и прочих областях производственной деятельности и в быту.

Известны энергопреобразующие устройства с многодисковыми роторами многофункционального назначения, использующие поверхности трения для перемещения рабочих сред и одновременного осуществления тепло- и массообменных процессов, например, (патент РФ №2133935, F 28 D 11/02, 30.01.1998 г.; патент РФ №2167369, F 24 F 3/14, 21.06.1999 г.), а также теплоэлектрогенератор - устройство для одновременной выработки тепла и электроэнергии, содержащий корпус-нагреватель с камерой горения, блок вентилятора с двигателем, дисковый ротор, входные и выходные патрубки (патент РФ №2166702, F 24 H 6/00, 01.11.1999 г. - прототип).

Известен способ интенсификации процессов теплообмена на ограждающих поверхностях, включающий создание на поверхности теплообмена вихревого течения от вращающихся дисков (патент РФ №2122167, F 28 F 13/12, 23.01.1997 г.).

Недостатками перечисленных технических решений является низкий кпд дисковых вентиляторов, недостаточная эффективность оребрения (площадь теплообмена), сложности конструктивного оформления систем подачи теплоносителя во вращающиеся роторы.

Известен теплообменник по А.с. №901809, F 28 D 19/04, 09.04.80 - техническое решение - способ организации течения рабочей среды в теплообменнике роторного типа. Недостатком данного способа работы устройства является недостаточная его эффективность организации течения рабочей среды.

Известны высокоэффективные аппараты с использованием высокопористых ячеистых материалов: теплообменник (патент РФ №2078295, МКИ F 28 D 9/00, 08.06.1993 г.), химические реакторы, фильтры (А.М.Беклемышев. Структурные и гидравлические свойства высокопористых ячеистых материалов на металлической основе, Пермь, 1998).

Известен каталитический двигатель (патент РФ №2135804, F 02 G 1/4, 27.08.99), основанный на каталитическом окислении топлива во внешней камере сгорания. Двигатель может применяться для выработки электрической или механической энергии. Цилиндр с поршнем расположен внутри камеры сгорания таким образом, что его боковая поверхность образует внутреннюю теплообменную стенку камеры сгорания. Камера сгорания заполнена трехмерной каталитической структурой, которая может быть образована, например, высокопористым ячеистым носителем с открытыми ячейками. Множество частиц катализатора связано с трехмерным носителем через слой вторичного носителя с высокой удельной поверхностью.

Известен термоэлектрический генератор (патент РФ №2197054, Н 02 N 3/00, 20.01.03), преобразующий тепло сжигания жидкого или газообразного топлива, включающий камеру каталитического сжигания топлива, содержащую катализатор, и термоэлектрические преобразователи. В частности, камера каталитического сжигания образована, по крайней мере, одним термоэлектрическим преобразователем и заполнена трехмерной структурой, содержащей катализатор и расположенной на высокотемпературной поверхности термоэлектрического преобразователя. В качестве трехмерной структуры камера каталитического сжигания заполнена металлическим или керамическим высокопористым ячеистым материалом, на который нанесен катализатор. Каталитическое сжигание топлива осуществляется на поверхности термоэлектрического преобразователя либо в непосредственной близости от нее. Для сжигания различных топлив подобраны оптимальные составы каталитических материалов, а также соотношение топливо/воздух таким образом, что температура в каталитической камере сжигания регулируется от 105 до 600°С.

Однако для их функционирования требуются дополнительные устройства для транспортировки, распределения сред по поверхности проницаемой насадки и (или) их смешения до поступления в аппарат.

Задачей предлагаемого изобретения является возможность регулирования направления и интенсивность течения рабочей среды, интенсификация массо-теплообменных процессов, в том числе увеличение теплосъема с единицы площади теплообменной поверхности.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе организации течения рабочей среды в энергопреобразующем устройстве роторного типа необходимое направление и интенсивность течения рабочей среды задают геометрической формой ротора и его структурой, проницаемой в различных направлениях, выполненной из ячеистого материала. В качестве ячеистого материала использован каталитический материал, а процессы энергетического, массового обмена и химического взаимодействия происходят внутри тела ротора с участием его развитой поверхности.

Способ реализуется в энергопреобразующем устройстве роторного типа, которое содержит, по крайней мере, один ротор, установленный на валу с возможностью вращения и коллекторы подвода и отвода рабочей среды. Ротор выполнен любой геометрической формы, например, в виде плоского диска, конуса, усеченного конуса, шара, из проницаемого в различных направлениях ячеистого материала (ВПЯМ) с образованием каналов для протекания рабочей среды. Ротор может быть выполнен из материала с неоднородной проницаемостью. Ротор по периферии снабжен коллектором отвода рабочей среды и тепла. Ротор может быть снабжен поверхностью теплообмена, которая размещена с одной стороны ротора, противоположной однонаправленному потоку рабочей среды, или внутри ротора, при разнонаправленных потоках рабочей среды. В качестве ячеистого материала использован каталитический материал. В качестве каталитического материала использован керамический или металлический носитель, на который нанесен катализатор. В качестве катализатора на носитель нанесен, по крайней мере, один благородный металл, и/или оксид металла, выбранного из группы, включающей переходные металлы IV периода.

Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.

На фиг.1 изображено энергопреобразующее устройство роторного типа из ВПЯМ со встречным течением рабочей среды; на фиг.2 изображено энергопреобразующее устройство роторного типа из ВПЯМ со встречным течением рабочей среды и поверхностью теплообмена внутри ротора; на фиг.3 изображено энергопреобразующее устройство роторного типа из ВПЯМ с поверхностью теплообмена, расположенной с противоположной стороны ротора от однонаправленного течением рабочей среды.

Энергопреобразующее устройство роторного типа содержит, по крайней мере, один ротор 1, установленный на валу с возможностью вращения и имеет коллекторы подвода рабочей среды 2 и отвода рабочей среды и тепла 3. Ротор 1 может быть выполнен любой геометрической формы, например плоский диск, конус, усеченный конус, шар, и так далее, при этом он выполнен проницаемым в различных направлениях из ВПЯМ с образованием каналов для протекания рабочей среды через тело ротора. Проницаемый ротор может быть выполнен с неоднородной проницаемостью или упорядоченной (анизотропной) проницаемостью. Ротор 1 может быть снабжен поверхностью теплообмена 4. Поверхность теплообмена для организации течения может быть установлена, в любой части ротора. При однонаправленном потоке рабочей среды, поверхность теплообмена размещена с противоположной потоку стороны ротора (см. фиг.3). При разнонаправленных потоках рабочей среды поверхность теплообмена размещена внутри тела ротора (см. фиг.2).

Способ осуществляется следующим образом.

Способ организации течения рабочей среды в энергопреобразующем устройстве роторного типа заключается в том, что при вращении ротора, имеющего объемную конфигурацию любой геометрической формы и проницаемого в различных (заданных) направлениях, создается поле давления в рабочей среде, в результате чего возникает движение среды внутри ротора и во внешней среде,

вследствие созданного на внешней поверхности ротора распределения давления, зависящего от конфигурации ротора.

Таким образом, через энергопреобразующее устройство можно обеспечить протекание одной, двух и более рабочих сред, находящихся в непосредственном контакте с ротором. Механическая энергия, необходимая для транспорта рабочих сред и последующего ее использования, передается ротором, а в теле ротора благодаря его развитой внутренней поверхности осуществляются все виды обменных процессов рабочих сред: смешение, теплообмен, химические процессы, разделение фаз и т.д.

Интенсивность течения рабочих сред задается геометрической формой ротора, неоднородной проницаемостью материала ротора и скоростью его вращения.

Пример 1:

Способ организации течения рабочей среды в энергопреобразующем устройстве, в котором установлен на валу вращения ротор, например, в виде плоского диска из ВПЯМ и имеются коллекторы подвода рабочей среды с каждой стороны ротора (см. фиг.1), и единый отводящий коллектор. Если используют одинаковую среду (“А” и “А”), то данное устройство работает как вентилятор или компрессор с низким уровнем аэродинамического шума благодаря пористости ротора. Если среды “А” и “В” различны, то устройство служит одновременно смесителем.

Пример 2:

Способ организации течения рабочей среды в энергопреобразующем устройстве, в котором установлен на валу вращения ротор, например, в виде плоского диска из ВПЯМ, а внутри ротора установлена непроницаемая для сред “А” и “В” поверхность теплообмена и имеются коллекторы подвода рабочей среды с каждой стороны ротора (см. фиг.2), и единый отводящий коллектор.

При этом дополнительный подвод или отвод тепла может осуществляться лучистым теплообменом с каждой из сторон, а перепад температур между средами “А” и “В” может быть использован для выработки электроэнергии, например, с помощью термоэлектрических преобразователей.

Пример 3:

Способ организации течения рабочей среды в энергопреобразующем устройстве, в котором установлен на валу вращения ротор, например, в виде плоского диска из ВПЯМ и имеется коллектор подвода рабочей среды с одной стороны ротора (см. фиг.3), а поверхность теплообмена размещена с другой (одной) стороны ротора, противоположной однонаправленному потоку рабочей среды, причем тепловыделение (теплопоглощение) может происходить на внутренней поверхности ротора за счет химических реакций, сорбционных процессов или фазовых переходов.

Использование заявляемого устройства роторного типа для проведения химичесих процессов.

Для изготовления ротора заявляемого энергопреобразующего устройства используют керамический или металлический ВПЯМ. Преимущественно на ВПЯМ наносят вторичный носитель из γ-Аl₂О₃. Во вторичный носитель вводят каталитически активную композицию, состоящую, например, из одного или нескольких благородных металлов (Pt, Pd, Pt/Pd/Rh и др.) или оксидов переходных металлов (Сr₂О₃, СuО, СоО, МnО, их композиции и др.). Выбор материала основы (ВПЯМ) и состава каталитической композиции определяется параметрами процесса (состав, температура, агрессивность среды).

Пример 4. Для сжигания топлива (природного газа) использовали ротор в виде плоского диска, изготовленный из керамического ВПЯМ с вторичным носителем, в качестве каталитической композиции ввели оксид марганца и мелкодисперсный палладий в количествах соответственно 5 и 0,1 мас.% по отношению к массе вторичного носителя либо мелкодисперсную платину в количестве 0,5 мас.% по отношению к массе вторичного носителя. Предварительно ротор нагрели до температуры зажигания (200-250°С), затем включили подачу природного газа и воздуха, в каналах ротора начался процесс окисления природного газа с выделением тепла, и нагрев ротора отключили. На выходе получили горячий воздух.

Пример 5. Для процесса очистки промышленных газовых выбросов, содержащих органические соединения, оксид углерода и мелкодисперсную сажу, использовали ротор, изготовленный из металлического ВПЯМ (никеля, нихрома, инвара, коррозионно-стойкой стали). На ВПЯМ нанесен вторичный носитель γ-Аl₂О₃. В качестве активного компонента нанесена мелкодисперсная платина в количестве 0,5 мас.% по отношению к массе вторичного носителя. В случае, если температура очищаемых газов ниже 200-250°С, ротор предварительно прогревали. Затем включили подачу очищаемых газов и озоновоздушной смеси. В каналах ротора происходило окисление органических соединений и оксида углерода. Твердые частицы сажи задерживались в порах и окислялись. На выходе получили воздух, очищенный от токсичных компонентов и частиц сажи.

Приведенные примеры показывают работоспособность заявляемого изобретения. Описанные в примерах составы катализаторов не являются исчерпывающими. Ротор заявляемого устройства, изготовленный из ВПЯМ, может обладать такими качествами, как жаростойкость, прочность, низкое гидравлическое сопротивление, высокоразвитая поверхность, длительный ресурс работы, в зависимости от его назначения.

Экспериментальная проверка предлагаемого технического решения показала, что максимальный напор транспортируемой рабочей среды (воздуха) соответствует скоростному напору, определенному по окружной скорости вращающегося диска, а расход соответствует расходным характеристикам центробежных вентиляторов соответствующих размеров с учетом гидравлической проницаемости дисков. При этом при полностью открытых обеих или одной торцевых сторон диска обеспечивался равномерный вход рабочей среды (воздуха) в осевом направлении.

Эффективные коэффициенты теплоотдачи на непроницаемой поверхности теплообмена, имеющей надежный тепловой контакт с металлическим ВПЯМ, составлял величину 500-1500 Вт/м² °К - в зависимости от материала ротора и его плотности. Исследования проводились на дисках роторах диаметром от 100 до 220 мм при скоростях вращения до 6000 об/мин, толщина дисков 7-16 мм. Материал - медь и нержавеющая сталь.

По сравнению с многодисковыми энергопреобразующими устройствами (прототипом) предлагаемый способ и устройство позволяют при тех же окружных скоростях ротора и расходных сред иметь в ~ 4 раза больший напор и в ~ 5 раз меньший размер ротора в осевом направлении, с существенно большими возможностями реализации тепло-массообменных и других процессах энергопреобразования.

Предельные возможности устройств лимитируются механическими свойствами проницаемых материалов.

Изобретение предназначено для применения в области машиностроения, а также может быть использовано в энергетике, теплотехнике, химических технологиях и прочих областях производственной деятельности и в быту. Способ организации течения рабочей среды в энергопреобразующем устройстве роторного типа, характеризующийся тем, что направление и интенсивность течения рабочей среды задают формой ротора и его ячеистой структурой, проницаемой в различных направлениях, в качестве ячеистого материала использован каталитический материал, причем процессы энергетического, массового обмена и химического взаимодействия происходят внутри тела ротора с участием его развитой поверхности. Энергопреобразующее устройство роторного типа содержит, по крайней мере, один ротор, установленный на валу с возможностью вращения, коллекторы подвода и отвода рабочей среды, причем ротор выполнен любой геометрической формы, например диск, конус, усеченный конус, шар из проницаемого в различных направлениях ячеистого материала с образованием каналов внутри тела ротора для протекания рабочей среды, при этом коллектор отвода рабочей среды и тепла размещен по периферии ротора. Кроме того, проницаемый ротор выполнен из материала с неоднородной проницаемостью и снабжен поверхностью теплообмена. Поверхность теплообмена размещена с одной стороны ротора, противоположной однонаправленному потоку рабочей среды, или размещена внутри ротора при разнонаправленных потоках рабочей среды. В качестве ячеистого материала использован каталитический материал или использован керамический или металлический носитель, на который нанесен катализатор. В качестве катализатора на носитель нанесен, по крайней мере, один благородный металл и/или оксид металла, выбранного из группы, включающей переходные металлы IV периода. Изобретение дает возможность регулировать направление и интенсивность течения рабочей среды, а также интенсифицировать массотеплообменные процессы, в том числе увеличить теплосъем с единицы площади теплообменной поверхности. Изобретение также позволяет задавать необходимое направление и интенсивность течения рабочей среды за счет геометрической формы ротора и его структуры, проницаемой в различных направлениях, выполненной из высокопористого ячеистого материала. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ организации течения рабочей среды в энергопреобразующем устройстве роторного типа, отличающийся тем, что направление и интенсивность течения рабочей среды задают формой ротора и его ячеистой структурой, проницаемой в различных направлениях, в качестве ячеистого материала использован каталитический материал, причем процессы энергетического, массового обмена и химического взаимодействия происходят внутри тела ротора с участием его развитой поверхности.2. Энергопреобразующее устройство роторного типа, содержащее, по крайней мере, один ротор, установленный на валу с возможностью вращения, коллекторы подвода и отвода рабочей среды, отличающееся тем, что ротор выполнен любой геометрической формы, например диск, конус, усеченный конус, шар, из проницаемого в различных направлениях ячеистого материала с образованием каналов внутри тела ротора для протекания рабочей среды, при этом коллектор отвода рабочей среды и тепла размещен по периферии ротора.3. Энергопреобразующее устройство роторного типа по п.2, отличающееся тем, что проницаемый ротор выполнен из материала с неоднородной проницаемостью.4. Энергопреобразующее устройство роторного типа по любому из пп.2 и 3, отличающееся тем, что ротор снабжен поверхностью теплообмена.5. Энергопреобразующее устройство роторного типа по п.4, отличающееся тем, что поверхность теплообмена размещена с одной стороны ротора, противоположной однонаправленному потоку рабочей среды.6. Энергопреобразующее устройство роторного типа по п.4, отличающееся тем, что поверхность теплообмена размещена внутри ротора при разнонаправленных потоках рабочей среды.7. Энергопреобразующее устройство роторного типа по любому из пп.2-6, отличающееся тем, что в качестве ячеистого материала использован каталитический материал.8. Энергопреобразующее устройство роторного типа по п.7, отличающееся тем, что в качестве каталитического материала использован керамический или металлический носитель, на который нанесен катализатор.9. Энергопреобразующее устройство роторного типа по п.8, отличающееся тем, что в качестве катализатора на носитель нанесен, по крайней мере, один благородный металл, и/или оксид металла, выбранного из группы, включающей переходные металлы IV периода.