НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ Российский патент 2007 года по МПК F24J3/00 

Изобретение относится к области техники, связанной с нагревом жидкости для разных технологических целей в народном хозяйстве, и, в частности, может использоваться в коммунальном хозяйстве для эффективного обогрева жилых помещений и в научных исследованиях по теплофизике и гидродинамике потоков водородсодержащих жидкостей в условиях магнитных, электрических и кавитационных влияний.

Известны нагреватели в теплообменных системах с камерами сжигания органического и неорганического топлива, ядерными реакторами расщепления ядер урана, а также с электрическими источниками, которые действуют на основании омического нагрева материалов с высоким удельным сопротивлением.

Вышеуказанные нагреватели на основе сжигания органического и неорганического топлива имеют сравнительно низкий коэффициент преобразования энергии, которая выделяется при его сгорании, в тепловую энергию нагреваемой жидкости, что приводит к значительному удельному расходу массы топлива на единицу тепла, которое передается жидкости. Кроме того, в процессе горения топлива потребляется атмосферный кислород, а в атмосферу выбрасывается диоксид углерода, оксиды азота, оксиды металлов, а также шлаки, которые в совокупности загрязняют атмосферу, грунт и грунтовые воды.

Использование ядерных реакций расщепления тяжелых металлов (урана, плутония и тория), несмотря на высокое удельное массовое выделение энергии в конечной стадии процесса, требует достаточно дорогих и опасных для окружающей среды установок и технологических операций по выделению этих элементов из горных пород, а в дальнейшем - по захоронению продуктов расщепления, которые существенно снижают привлекательность данного способа получения тепловой энергии.

Выбранное за аналог известное устройство (Л.П.Фоминский, Ю.С.Потапов, С.Ю.Потапов. «Нагреватель жидкости». - Патент Украины №50608 А. Бюллетень №6, 2000 г.) состоит из статора, который имеет цилиндрическую полость, через которую пропускают нагреваемую жидкость, а также установленный с зазором в эту полость металлический ротор, закрепленный на цилиндрическом вале, выполненном с возможностью вращения. Ротор выполнен в виде цилиндра и имеет на своей поверхности множество углублений или набранный из дисков, которые имеют на своей поверхности множество углублений и/или сквозных отверстий, и выполненный из переходных металлов семейства железа или из ферромагнитного сплава этого металла с другими металлами и/или с углеродом. Такое устройство характеризуется чистотой получения тепловой энергии для нагрева жидкости и имеет коэффициент преобразования первичной энергии, которая подводится для вращения ротора и нагрева жидкости, более 100%.

Недостатком известного устройства является невозможность интенсификации процессов энерговыделения в локальных кавитационных кавернах в углублениях и отверстиях на роторе, кроме как за счет увеличения скорости вращения ротора, которая ограничена его механической прочностью на разрыв.

Более близким по технической сути аналогом является электролизная каморка Паттерсона (ENECO, Inc., 391-13 Chipeta Way, Salt Lakeli Utah 84108, USA), которая состоит из корпуса, электродной системы из палладий-никелевых электродов (водородпоглощающие материалы) и жидкого электролита на основе тяжелой воды. В каморке Паттерсона обеспечивается протекание реакций слияния ядер дейтерия и протия с выделением энергии. Но недостатком этого аналога является ограниченный срок его работы через водородное насыщение электродов, замедление частоты реакций и уменьшение энерговыделения до полного его прекращения.

Как в первом, так и во втором вышеуказанных случаях рабочая жидкость активно взаимодействует с рабочими элементами устройств (материалом ротора, электродами), активно разрушая их или насыщая дейтерием, протием и продуктами реакций до их прекращения.

Вместе с тем представляется возможным осуществление вышеуказанных реакций в объеме рабочей жидкости (которая нагревается), если обеспечить разрыв сплошности этой жидкости (то есть реализовать процесс объемной кавитации) с оттоком создаваемых при этом пузырьков от рабочих поверхностей ротора. Данный процесс можно организовать в тороиде вращения (тороидальной полости нагревателя), внутри которого жидкость вращается как кольцевой вихрь.

Исходя из термогидродинамики кольцевого вихря, на оси вихря (меридиональной оси) наблюдается повышение температуры с одновременным снижением давления парогазовой смеси, а скорость движения жидкости близи стенки тороида, которая ближе всего к его оси симметрии, всегда выше скорости у противоположной (наружной) стенки. Подобное интенсивное кольцевое движение жидкости может быть организовано в нагревателе, если в нем есть ускоритель жидкости в направлении, касательном к периферии внутренней поверхности тороида. Дополнительным полезным следствием такой конструкции будет также отвод кавитационных пузырьков от ускорителя в направления оси вихря под действием градиента давления, что должно уменьшить их разрушительное действие на ротор.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, которое состоит из металлического статора с полостью, в которой находится или через которую пропускается нагреваемая жидкость и в которой вставлен с зазором ротор, закрепленный на приводимом во вращение цилиндрическом вале и имеющий множество углублений по своему периметру, и постоянный кольцевой магнит, жестко закрепленный симметрично его оси вращения, а также токосъемный узел, который соединяет токопроводом вал ротора с наружной поверхностью статора, ротор изготовлен из водородпоглощающего металла или сплава, полость статора выполнена в виде кольцевого тороида, ось ротора направлена вдоль оси симметрии тороида, ротор по своему периметру имеет один или несколько рядов зубцов и/или лопаток, которые входят в полость тороида через разрез в нем, и закрыт с обеих сторон стенками или крышками, образующими единое внутреннее пространство ротора и тороида.

Пример нагревателя жидкости по вышеуказанным признакам показан в разрезе на чертеже. Согласно конструкции он содержит следующие элементы. Статор выполнен в виде полого тороида 1, к которому приварена стенка-перемычка 4 с отверстием, сквозь которое проходит вал 12, на конце которого закреплен ротор 2 и кольцевой магнит 3. Ротор своей периферийной частью, на которой есть множество углублений 10 и зубцов или лопаток 11, входит через разрез в полость тороида 1. Снизу пространство рассеченного тороида закрыто крышкой 13. Сверху вал 12 соединен с электрическим приводом 5, который закреплен на внешней металлической стенке 8 нагревателя, которая играет роль токопровода между токосъемным узлом 6 с контактами 7 и тороидом 1. Мощность привода 5 и скорость вращения ротора 2 должны быть достаточными для зарождения кавитационных процессов в рабочей жидкости в области зубцов или лопаток 11 и углублений 10 на периферии ротора 2.

Заливка рабочей жидкости в нагреватель осуществляется через горловину 9, а слив - через штуцер 14. В зависимости от назначения нагревателя возможен нагрев только той жидкости, которая находится в нем, а возможно обеспечение протока жидкости через эти два отверстия в контур его потребления или при закрытых отверстиях 9 и 14 осуществление отбора тепла во внешний контур через змеевик теплообменника, который может быть закреплен на внешней поверхности тороида 1 (змеевик не показан).

Нагреватель жидкости функционирует следующим образом.

Независимо от того, какая рабочая жидкость используется для нагрева (вода, тяжелая вода, литиевый электролит, углеродная или другая смесь), полость тороида 1 заполняется этой жидкостью через горловину 9 при закрытом штуцере 14 на 90% объема. Это позволяет при последующей работе нагревателя обеспечить формирование компенсационного газового объема, который будет смягчать повышение давления паров рабочей жидкости при ее подогреве и обеспечивать зарождение парогазового вихря во внутреннем пространстве тороида. После заливки рабочей жидкости горловина 9 герметизируется, если иное не предусмотрено назначением нагревателя.

После включения привода 5 вал 12 вместе с ротором 2 и магнитом 3 начинают вращаться. При этом по периметру ротора 2 будет появляться электрический потенциал относительно его вала 12, а через контакты 7 токосъемного узла 6 и токопровод 8 потенциал будет прикладываться между ротором 2 и стенками тороида 1. В результате через объем рабочей жидкости будет развиваться электрический разряд, который приведет к частичному разложению воды. Кроме того, внутри тороида зубцы или лопатки 11 ротора 2 будут ускорять прилегающие к стенкам пласты жидкости, придавая им тангенциальное ускорение, которое приведет к обращению массы жидкости в полости тороида и, соответственно, к появлению кольцевого тороидального вихря. При этом основная зона всех процессов энерговыделения будет концентрироваться вблизи периферии ротора 2.

При достижении определенных значений скорости потока жидкости внутри тороида 1 возникнет объемная, а в углублениях 10 ротора 2 и в зазорах между ним и тороидом 1 - пристеночная кавитация, которая приведет к дополнительному энерговыделению и ускорению жидкости с последующим силовым действием на лопатки ротора 2, уменьшая нагрузку на привод 5.

Энергия, которая выделяется при всех этих процессах в рабочей жидкости в виде тепла, может переноситься вместе с этой жидкостью через полость тороида в соединенный с ним внешний контур или передаваться через стенки тороида в отделенный внешний контур, в котором циркулирует другая жидкость. В последнем случае в качестве рабочей жидкости внутри тороида могут использоваться те жидкости, которые не могут перекачиваться во внешний контур из соображений техники безопасности или по другим причинам.

Изобретение направлено на повышение эффективности нагрева жидкости для различных технологических целей в народном хозяйстве и, в частности, может использоваться в коммунальном хозяйстве для эффективного обогрева жилых помещений. Указанный технический результат достигается тем, что ротор нагревателя изготовлен из водородпоглощающего металла или сплава, полость статора выполнена в виде кольцевого тороида, ось ротора направлена вдоль оси симметрии тороида, ротор по своему периметру имеет один или несколько рядов зубцов и/или лопаток, которые входят в полость тороида через разрез в нем, и закрыт с обеих сторон стенками или крышками, образующими единое внутреннее пространство ротора и тороида. В процессе работы нагревателя за счет вращения ротора в полости статора формируется кольцевой тороидальный вихрь из нагреваемой жидкости с возникновением пристеночной и объемной кавитации, которая в присутствии катализатора из водородпоглощающего вещества ротора способствует выделению энергии из жидкости. 1 ил.

Нагреватель жидкости, содержащий металлический статор с полостью, в которой находится или через которую пропускается нагреваемая жидкость и в которую вставлен с зазором ротор, закрепленный на приводимом во вращение цилиндрическом валу и имеющий множество углублений по своему периметру, и постоянный кольцевой магнит, жестко закрепленный симметрично его оси вращения, а также токосъемный узел, который соединяет токопроводом вал ротора с наружной поверхностью статора, отличающийся тем, что ротор изготовлен из водородпоглощающего металла или сплава, полость статора выполнена в виде кольцевого тороида, ось ротора направлена вдоль оси симметрии тороида, ротор по своему периметру имеет один или несколько рядов зубцов и/или лопаток, которые входят в полость тороида через разрез в нем, и закрыт с обеих сторон стенками или крышками, образующими единое внутреннее пространство ротора и тороида.