СПОСОБ НАГРЕВА ВОДЫ Российский патент 2006 года по МПК F24J3/00 

Способ нагрева воды относится к теплоэнергетике, и предназначен для применения в технике, производящей горячую воду, теплоноситель, и может быть использован в устройствах для нагрева жидкостей и газов.

Известен способ нагрева воды, реализованный в водогрейном отопительном котле (патент RU 2186302 С2, МПК F 24 Н 01/40 от 20.07.2002 г.), по которому обеспечивают технологическую подготовку процесса нагрева воды, заполняют водой нагреваемую систему, обеспечивают циркуляцию воды, обеспечивают пусковые параметры процесса нагрева воды, производят нагрев воды, для чего сжигают топливо, обеспечивают нагрев газов воздушной среды, обеспечивают передачу тепловой энергии нагретых газов конвекцией теплообменнику, обеспечивают передачу тепловой энергии с теплообменника в циркулируемую воду.

Известный способ требует значительного потребления топлива. Способ загрязняет атмосферу продуктами сгорания топлива. В способе длительная подготовка запуска и выхода на рабочий режим процесса нагрева воды. Применяемое в способе оборудование металлоемкое и требует больших капитальных затрат при ремонтно-восстановительных работах. У известного способа нагрева воды низкий КПД.

Известен способ нагрева воды, реализованный в водогрейном отопительном котле (патент RU 2186302 С2, МПК F 24 Н 01/40 от 20.07.2002 г.) по которому производят технологическую подготовку процесса нагрева воды, заполняют водой нагреваемую систему, обеспечивают циркуляцию воды, обеспечивают пусковые параметры процесса нагрева воды, производят нагрев воды, для чего обеспечивают нагрев электрическим током нагревательных элементов в трубчатых оболочках ТЭНов (в теплообменниках), обеспечивают нагрев газов в трубчатых оболочках ТЭНов (в теплообменниках), обеспечивают передачу тепловой энергии нагретых газов конвекцией трубчатым оболочкам ТЭНов (теплообменникам), обеспечивают передачу тепловой энергии с трубчатых оболочек ТЭНов (теплообменников) в циркулируемую воду.

В известном способе нагрева воды потребляется большое количество электрической энергии. Способ имеет длительный режим нагрева воды. В способе нагрева воды из-за медленного движения макроскопических частиц воды относительно друг друга и теплообменника создаются застойные зоны водных слоев, из-за чего образуются осадочные покрытия, накипь ведущие к неравномерному распределению электрической нагрузки, к нестабильности работы теплового режима нагрева воды. В результате этих недостатков выводится из работы пускорегулирующая аппаратура энергоснабжения и создается аварийная ситуация. Способ находит применение там, где требуется потребление горячей воды и теплоносителя в небольших объемах.

Наиболее близким по совокупности признаков аналогом является способ нагрева воды, примененный в водогрейном котле (патент RU 2196933 С2, МПК F 22 В 21/00 от 20.01.2003 г.) по которому производят технологическую подготовку процесса нагрева воды, производят водоподготовку, заполняют водой нагреваемую систему, обеспечивают циркуляцию воды, обеспечивают вытяжную вентиляцию и вентиляцию наддува, обеспечивают подготовку газовоздушной смеси, обеспечивают наддув газовоздушной смеси в каталитический нагревательный элемент, производят нагрев воды, для чего обеспечивают беспламенное каталитическое окисление природного газа (сжигание газа) при прохождении им через газовоздушные каналы каталитического нагревательного элемента, обеспечивают нагрев теплообменника, спеченного с катализатором тепловой энергии, выделяемой беспламенным каталитическим окислением природного газа, обеспечивают передачу тепловой энергии с теплообменника, спеченного с катализатором, в циркулируемую воду.

Работа способа нагрева воды основывается на сжигании природного газа. В способе нагрева воды необходима водоподготовка. Применяемый способ не обеспечивает 100% исключения загрязнения окружающей среды отработанными газами. Работа способа требует значительного потребления электрической энергии (вытяжная вентиляция, вентиляция наддува). В способе из-за медленного движения микроскопических частиц воды относительно друг друга и относительно внутренних поверхностей трубок (в теплообменнике) образуются осадочные отложения и накипь. В результате чего нарушается теплообмен, перекрываются трубные проходы для циркуляции воды, создается аварийная ситуация. Для применяемого способа нагрева воды необходимо специальное помещение, оборудованное надежной вытяжной вентиляцией и вентиляцией наддува. В способе необходима тщательная подготовка состава газовоздушной смеси, поддержание жестких параметров наддува газовоздушной смеси и постоянство химического состава и давления подаваемого природного газа. Способ нагрева воды требует повышенной ответственности при эксплуатации дорогостоящего газового оборудования.

Заявляемое изобретение решает задачу создания производительного способа нагрева воды, обеспечивающего высокоэффективную теплоотдачу производимого тепла в нагреваемую воду, значительную экономию энергоресурсов и работающего без нарушения экологической среды.

Для решения этой задачи в заявляемом способе нагрева воды заключающемся в том, что первоначально производят технологическую подготовку процесса нагрева воды, заполняют водой нагреваемую систему, обеспечивают циркуляцию воды, обеспечивают пусковые параметры процесса нагрева воды отличающийся тем, что нагрев воды производят непосредственной передачей тепла в активируемую воду нагреваемой вращающейся реакционной вакуумной камерой (теплообменником).

Способ нагрева воды, в котором в отличие от прототипа нагрев вращающейся реакционной камеры (теплообменника) осуществляют в предварительно обеспеченной вакуумной среде самой камеры суммарным теплом, образующимся на реакционной поверхности геттерного материала, от выделяемой тепловой энергии (превращенной из механической энергии) при механическом разрушении и счистки пленочного слоя из химических соединений с геттерного материала, а также тепловой энергии, выделяемой химическими реакциями при образовании пленочного слоя из химических соединений на химически чистой поверхности геттерного материала.

Способ нагрева воды, в котором в отличие от прототипа активацию воды в процессе ее нагрева обеспечивают вращением реакционной камеры.

Способ нагрева воды, в котором в отличие от прототипа химически чистую поверхность геттерного материала обеспечивают механическим разрушением и счисткой пленочного слоя из химических соединений с геттерного материала или трением скольжения вращающейся реакционной поверхности об прижатые к ней твердосплавные элементы очистителей.

Способ нагрева воды, в котором в отличие от прототипа образование пленочного слоя из химических соединений обеспечивают химическим связыванием молекул активных газов хемсорбционным процессом на химически чистой поверхности геттерного материала.

Способ нагрева воды, в котором в отличие от прототипа обеспечение рабочего вакуума в реакционной вакуумной камере производят с помощью геттерной откачки, где перед установкой рабочего диапазона вакуумного давления газов обеспечивают максимально возможный вакуум, после чего производят непрерывную подачу газов, снижая вакуум до требуемой величины, и обеспечивают поддержание рабочего диапазона вакуумного давления газов.

Способ нагрева воды, в котором в отличие от прототипа прижатие твердосплавных элементов очистителей к реакционной поверхности обеспечивают с помощью избыточного давления атмосферных газов.

На фиг.1 представлен общий вид устройства, реализующего заявляемый способ нагрева воды, на фиг.2 представлен вид реакционной вакуумной камеры в сечении А-А, на фиг.3 представлена принципиальная вакуумная схема устройства нагрева воды.

На фиг.1 устройство нагрева воды обозначено позицией 1, 2 - дополнительная вакуумная камера, 3 - реакционная вакуумная камера-теплообменник, 4 - газовый баллон, 5 - газовый редуктор, 6 - вакуумметр, 7 - механический насос, 8 - вакуумный клапан, 9 - неподвижный блок очистителей, 10 - твердосплавные элементы, 11 - очистители, 12 - реакционная поверхность, 13 - трубопровод (имеющий возможность разборки), 14 - трубчатый отвод, 15 - проходной трубопровод, 16 - сильфонные объемы, 17 - сильфоны, 18 - опорные скользящие площадки, 19 - манометр, 20 - емкость для воды, 21 - горловина, 22 - входной патрубок, 23 - выходной патрубок, 24 - электродвигатель, 25 - натекатель газов, 26 - прибор для измерения температуры воды, 27 - амперметр.

Способ нагрева воды осуществляется следующим образом. Первоначально производят технологическую подготовку процесса нагрева воды, для чего в устройстве нагрева воды 1 производят проверку герметичности дополнительной неподвижной вакуумной камеры 2, реакционной вакуумной камеры 3 (выполненный из геттерного материала титан и установленный с возможностью вращения в емкости для воды 20).

Соединяют газовый баллон 4 (с избыточным давлением атмосферных газов) через газовый редуктор 5 с трубопроводом 13. Подключают вакуумметр 6 к электрической сети. Емкость для воды 20 с реакционной вакуумной камерой 3 и нагреваемую систему через горловину 21 заполняют водой. Обеспечивают циркуляцию воды через выходной патрубок 23, нагреваемую систему, входной патрубок 22 в емкость для воды 20. Обеспечивают пусковые параметры процесса нагрева воды, для чего производят предварительную вакуумную откачку в соединенных между собой дополнительной вакуумной камере 2 и реакционной вакуумной камере 3 газовой среды до вакуумного давления газов 10^-3-10^-4 Па.

Вакуумную откачку производят механическим насосом 7 через вакуумный клапан 8. При достижении вакуумного давления газов 10^-3-10^-4 Па закрывают вакуумный клапан 8, отключают механический насос 7. Вакуумное давление газов измеряют вакуумметром 6. На неподвижном блоке очистителей 9 устанавливают (регулировкой) давление твердосплавных элементов 10 очистителей 11 на реакционную поверхность 12, для чего из газового баллона 4 через газовый редуктор 5, через (имеющий возможность разборки) трубопровод 13, через трубчатый отвод 14, через проходные трубопроводы 15 в сильфонные объемы 16 подается избыточное давление атмосферных газов. Избыточное давление атмосферных газов обеспечивает растяжение стальных сильфонов 17 и производит вертикальное движение скользящих площадок 18, которые, воздействуя на очистители 11 (имеющие возможность радиального перемещения), обеспечивают поверхностное прижатие твердосплавных элементов 10 (выполненных из материала ВК-8) к реакционной поверхности 12. Установку и регулировку подаваемого избыточного давления атмосферных газов обеспечивают газовым редуктором 5. Подаваемую величину избыточного давления атмосферных газов устанавливают такую, чтобы при передаче ее на твердосплавные элементы, трущиеся элементы твердосплавных элементов (трением скольжения) обеспечивали полную очистку пленочного слоя из химических соединений с геттерного материала. Величину избыточного давления атмосферных газов, подаваемого на твердосплавные элементы 10, определяют расчетным и опытным путем в зависимости от площади трущихся поверхностей твердосплавных элементов 10 и от типа геттерного материала. Избыточное давление атмосферных газов контролируется по манометру 19.

Производят нагрев воды, для чего запускают в работу электродвигатель 24, который обеспечивает вращение реакционной вакуумной камеры 3 (теплообменника) вместе с реакционной поверхностью 12 из геттерного материала. От вращения реакционной вакуумной камеры 3 циркулируемая вода в емкости для воды 20 активируется, а именно производится круговое движение водных слоев (увлекаемых поверхностью вращения реакционной вакуумной камеры 3), в результате чего за счет суммарного воздействия на водную среду циркуляцией и активацией обеспечивается высокоэффективное движение (контактирование) макроскопических частиц воды относительно друг друга и вращающейся реакционной вакуумной камеры 3 (поверхности). Производимый эффект практически исключает создание застойных слоев воды, образование осадков и обеспечивает высокоэффективную теплоотдачу при нагреве воды нагреваемой реакционной вакуумной камерой 3 (теплообменником).

В неподвижном состоянии реакционная поверхность 12 покрыта образованным на ней пленочным слоем из химических соединений (окислов, нитридов, гидридов и т.д.). Производят вращение реакционной поверхности 12 геттерного материала и обеспечивают ее поверхностное трение скольжения об прижатые к ней твердосплавные элементы 10 очистителей 11, в результате чего производится поверхностное деформационное разрушение тонкого пленочного слоя из химических соединений и счистка его с геттерного материала. Поверхностное деформационное разрушение пленочного слоя из химических соединений и счистку его с геттерного материала производят по всей реакционной поверхности 12 за счет размещения очистителей 11 двумя рядами диаметрально и со смещением относительно друг друга на неподвижном блоке очистителей 9 (при каждом обороте реакционной вакуумной камеры 3). Рабочий режим процесса деформационного разрушения и счистки пленочного слоя из химических соединений с геттерного материала контролируют по изменению нагрузочной характеристики электродвигателя 24 измеряемой амперметром 27. В результате разрушения и счистки пленочного слоя на реакционной поверхности 12 обеспечивают химически чистую поверхность геттерного материала. Произведенная при трении скольжения механическая энергия превращается в тепловую энергию. Обеспечивают выделение тепловой энергии на реакционной поверхности 12 геттерного материала. Нагревают теплообменник.

Созданная химически чистая поверхность геттерного материала взаимодействует с активными газами, находящимися в реакционной вакуумной камере 3, при помощи физического и химического связывания молекул газов адсорбционным процессом (физической адсорбцией и химической адсорбцией) с выделением тепла. Обеспечивают адсорбцию активных газов на химически чистой поверхности геттерного материала, которая является геттерной откачкой газов. При этом превалирующим механизмом при адсорбционной откачке газов является химическая адсорбция (хемсорбция), которой обеспечивают производство химических реакций на химически чистой поверхности геттерного материала с образованием пленчного слоя из химических соединений. Образование пленочного слоя из химических соединений производят с выделением тепловой энергии на реакционной поверхности 12. Нагревают теплообменник.

Изложенная выше технологическая последовательность процесса нагрева воды, а именно: разрушение и счистка пленочного слоя из химических соединений, выделение тепловой энергии, обеспечение химически чистой поверхности геттерного материала, адсорбция газов - геттерная откачка, образование пленочного слоя из химических соединений, выделение тепловой энергии относится к поверхностным структурным изменениям реакционной поверхности 12 геттерного материала за один оборот реакционной вакуумной камеры 3. Далее технологическая последовательность нагрева воды повторяется с началом каждого оборота реакционной вакуумной камеры 3. По выделяемой тепловой энергии с активной площади реакционной поверхности 12 за один оборот реакционной вакуумной камеры 3 определяют производимое тепло по количеству оборотов за определенное время.

Создают рабочий вакуум в реакционной вакуумной камере 3 с предварительно обеспеченным в ней вакуумным давлением газов 10^-3-10^-4 Па, для чего обеспечивают максимально возможный высокий вакуум геттерной откачкой в реакционной вакуумной камере 3 и в соединенной с ней дополнительной вакуумной камере 2 с целью определения возможностей геттерной откачки (при напуске газов) и дополнительной проверки герметичности вакуумной системы. Производят непрерывную подачу газов натекателем газов 25. Снижают вакуум в реакционной вакуумной камере 3 (и в дополнительной вакуумной камере 2) до требуемой величины и поддерживают рабочий диапазон вакуумного давления газов. Рабочий диапазон вакуумного давления газов - это давление газов, при котором обеспечиваются оптимально производительные величины тепловой энергии на реакционной поверхности 12.

Производят нагрев воды до заданной температуры. Контроль за температурой осуществляется по прибору измерения температуры 26. При достижении температуры нагрева воды производят закрытие натекателя газов 25, останов электродвигателя 24, отключение от электрической сети вакуумметра 6, прекращение подачи избыточного давления атмосферных газов из газового баллона 4. Прекращают циркуляцию воды. При работе устройства нагрева воды 1 в повторно-кратковременном режиме производится только закрытие и открытие натекателя газов 25 при останове и включении в работу электродвигателя 24.

В одном из режимов работы устройства нагрева воды 1 при вакуумном давлении газов 13,5×10^-5 Па с активной поверхностью геттерного материала - 0,452 м², давлением поверхности твердосплавного элемента на геттерный материал 0,5-0,6 кг/мм² за один оборот реакционной поверхности на ней выделяется 13-15 ккал тепла, а за час работы выделяется 46800-54000 ккал тепла (при оборотах электродвигателя 60 об/мин.).

Новым в поданном техническом решении является следующее:

- в способе нагрев воды обеспечивают высокоэффективной вынужденной конвекцией макроскопических частей воды относительно друг друга и относительно вращающегося нагреваемого твердого тела (реакционной вакуумной камеры-теплообменника) в активируемой воде;

- в способе отсутствуют применяемые традиционно для нагрева воды виды топлива газ, жидкое топливо, уголь и т.д.;

- в способе отсутствуют факторы, загрязняющие окружающую среду и влияющие на здоровье человека.

В заявляемом способе нагрева воды по сравнению с прототипом не требуются: топливо и его подготовка для использования; специальная водоподготовка; отдельное помещение с принудительной вытяжной вентиляцией и вентиляцией наддува.

Способ нагрева воды осуществляется на недорогом, простом оборудовании, не требующем повышенной ответственности при его эксплуатации с обеспечением 100% исключения загрязнения окружающей среды.

В способе за счет высокой интенсивности движения макроскопических частиц воды относительно друг друга и относительно вращающейся реакционной вакуумной камеры (теплообменника), за счет равномерного нагрева всех участков теплообменника, высокоэффективной конвекции воды, обеспечивается производительный нагрев воды, в котором практически исключается образование осадочных покрытий и накипи.

Способ требует незначительного потребления электрической энергии (косвенного назначения) по сравнению с прототипом и вырабатываемой тепловой энергией. Электрическая энергия необходима для вращения электродвигателя (в образце его Р_уст=2,5 кВт), обеспечивающего вращение реакционной вакуумной камеры в повторно-кратковременном режиме.

Способ нагрева воды в поданном техническом решении может осуществляться от любого вида энергии, способной обеспечивать вращение теплообменника (ветряной, водной и т.д.). Способ легко управляем и может работать от технических средств автоматизации. Особо важное значение предлагаемый способ будет иметь там, где отсутствуют топливные ресурсы - в районах Крайнего Севера, Сибири, пустынях, горных местностях и т.д.

Расчет основных параметров способа нагрева воды производился на базе известных формул и информации, где число молекул, адсорбированных на 1 см² химически чистой поверхности геттерного материала в 1 сек. Определяется по формуле

где (1-θ) - доля свободных мест адсорбции;

kn - коэффициент прилипания газа на поверхности;

Р - давление газов над поверхностью адсорбции - Па;

Тг - температура откачивания газа - К;

М - молярная масса - г/моль.

Теплота адсорбции, выделяющаяся на идеальной ровной площади химически чистой поверхности геттерного материала в 1 с, определялась по формуле

Qa - теплота адсорбции газа на химически чистой поверхности геттерного материала - ккал/моль^-1,

νs - число молекул газа адсорбированных на идеально ровной площади химически чистой поверхности титана,

Na - 6,0221367×10²³ моль^-1 число Авогадро.

Работа силы трения за один оборот реакционной поверхности

Qtr=Nnorm×μ×2πR

Nnorm - нормальное усилие - кг,

μ - коэффициэнт трения скольжения пары.

Теплота адсорбции и хемсорбции газов на геттерном материале титан иллюстрируется в книге «Технология тонких пленок», том 1, Справочник под редакцией Л.Майссела, Р.Глэнга, Москва «Советское радио», 1977 г., стр.223.

Способ нагрева воды относится к теплоэнергетике, предназначен для получения горячей воды и может быть использован в устройствах для подогрева жидкостей. Задача изобретения - создание производительного способа нагрева воды, обеспечивающего высокоэффективную теплоотдачу производимого тепла в нагреваемую воду, значительную экономию энергоресурсов и работающего без нарушения экологической среды. Способ нагрева воды включает технологическую подготовку процесса нагрева воды, заполнение водой нагреваемой системы, обеспечение циркуляции воды, обеспечение пусковых параметров процесса нагрева воды и нагрев циркулируемой, активируемой воды вращающейся нагреваемой реакционной вакуумной камерой (теплообменником). Обеспечение нагрева реакционной вакуумной камеры производится в предварительно созданной вакуумной среде самой камеры суммарным теплом, образующимся от тепловой энергии (превращенной из механической энергии) при механическом разрушении и счистке пленочного слоя из химических соединений с реакционной поверхности геттерного материала, а также от тепловой энергии, выделяемой химическими реакциями при образовании пленочного слоя из химических соединений на химически чистой поверхности геттерного материала. При этом обеспечение химически чистой поверхности геттерного материала производится трением скольжения вращающейся реакционной поверхности (с пленочным слоем из химических соединений) о прижатые к ней твердосплавные элементы с помощью избыточного давления атмосферных газов, а образование пленочного слоя из химических соединений производится с помощью хемсорбционного процесса на химически чистой поверхности геттерного материала. Обеспечение рабочего вакуума в реакционной вакуумной камере производится с помощью геттерной откачки, где перед установкой рабочего диапазона вакуумного давления газов обеспечивают максимально возможный высокий вакуум, после чего производится непрерывная подача газов, снижение вакуума до требуемой величины и обеспечивается поддержание рабочего диапазона вакуумного давления газов. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ нагрева воды, заключающийся в том, что производят технологическую подготовку процесса нагрева воды, заполняют водой нагреваемую систему, обеспечивают циркуляцию воды, обеспечивают пусковые параметры процесса нагрева воды, отличающийся тем, что нагрев воды производят непосредственной передачей тепла в активируемую воду нагреваемой вращающейся реакционной вакуумной камерой (теплообменником).2. Способ нагрева воды по п.1, отличающийся тем, что нагрев вращающейся реакционной вакуумной камеры осуществляют в предварительно обеспеченной вакуумной среде самой камеры суммарным теплом, образующимся на реакционной поверхности геттерного материала от выделяемой тепловой энергии (превращенной из механической энергии) при механическом разрушении и счистке пленочного слоя из химических соединений с геттерного материала, а также от тепловой энергии, выделяемой химическими реакциями при образовании пленочного слоя из химических соединений на химически чистой поверхности геттерного материала.3. Способ нагрева воды по п.1, отличающийся тем, что активацию воды в процессе ее нагрева обеспечивают вращением реакционной вакуумной камеры.4. Способ нагрева воды по п.2, отличающийся тем, что химически чистую поверхность геттерного материала обеспечивают механическим разрушением и счисткой пленочного слоя из химических соединений с геттерного материала или трением скольжения вращающейся реакционной поверхности о прижатые к ней твердосплавные элементы очистителей.5. Способ нагрева воды по п.2, отличающийся тем, что образование пленочного слоя из химических соединений обеспечивают химическим связыванием молекул активных газов хемосорбционным процессом на химически чистой поверхности геттерного материала.6. Способ нагрева воды по п.2, отличающийся тем, что обеспечение рабочего вакуума в реакционной вакуумной камере производят с помощью геттерной откачки, где перед установкой рабочего диапазона вакуумного давления газов обеспечивают максимально возможный высокий вакуум, после чего производят непрерывную подачу газов, снижая вакуум до требуемой величины, и обеспечивают поддержание рабочего диапазона вакуумного давления газов.7. Способ нагрева воды по п.4, отличающийся тем, что прижатие твердосплавных элементов очистителей к реакционной поверхности обеспечивают с помощью избыточного давления атмосферных газов.