СПОСОБ НАГРЕВА ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК F24V40/10 

Изобретение относится к способам преобразования кинетической энергии движущегося потока жидкости в теплоту и к устройствам для его осуществления и может быть использовано, преимущественно, в автономных замкнутых системах теплоснабжения, а также для нагрева воды в системах горячего теплоснабжения и нагрева жидкостей в технологических системах.

Известен способ гидродинамического нагрева жидкости (Патент РФ № 2156412 М.Кл F24 J 3/00 «Способ гидродинамического нагрева жидкости»/ Кириленко В.Н., Брулев С.О.; Заявл. 09.02.1999; Опубл. 20.09.2000, бюл. № 26), включающий преобразование создаваемого насосом напора в скоростной напор потока жидкости с последующим ее торможением при ускорении сужающихся встречно установленных соосных соплах и торможение в плоскости ударного контакта встречных струй.

Способ позволяет нагревать воду, но в связи с неустойчивостью гидродинамических потоков получить устойчивое значение коэффициента преобразования энергии невозможно.

Известен также способ нагрева жидкости (Патент РФ № 2116583 МКИ F24J 3/00 «Способ нагрева жидкости» / Порсев Е.Г.; Заявл. 29.05.1998; Опубл. 27.07.1998. – 3с.), включающий обработку жидкости акустическим полем, вырабатываемым, например, в роторно-пульсационном аппарате, причем обработку проводят в диапазоне частоты пульсаций потока жидкости через аппарат 3,8 – 4,8 кГц. Способ принят за прототип.

Способ позволяет повысить коэффициент преобразования энергии кратковременно до величин 6,0 – 7,2 о.ед., но в длительном режиме работы интегральный коэффициент преобразования не превышает величины 0,8, так как не учитывает объем энергии кластерных химических связей полимерной воды (рабочей жидкости) (Геллер С.В. Вихревые нагреватели жидкости. – Новая энергетика. – № 3. – 2005. – С. 29–39), из которых извлекается добавочная энергия, повышающая энергобаланс системы.

Таким образом стабильно получить высокую энергетическую эффективность преобразования энергии в системе с замкнутым контуром энергоносителя невозможно.

Задача настоящего изобретения для способа – повышение энергетической эффективности роторно-пульсационного кавитационного теплогенератора в длительном режиме.

Известно устройство для нагрева жидкости (Патент RU № 2096695, МПК F24 J3/00, Нагревательное устройство // Марков В.П., Светцов М.Ф., Соловьев Б.И., Шапкин Н.С., Воротилин А.В. – Заявл. 12.02.97, Бюл. № 32. – 4с.), содержащее напорную и обратную линии, соединенные между собой с одной стороны через насос, а с другой стороны приточным трубопроводом с регулирующей арматурой и подключенные со стороны последнего к прямой и обратной магистралям потребителя теплоты с образованием внешнего циркуляционного контура, причем напорная линия снабжена гидродинамическим нагревательным средством, отличающееся тем, что регулирующая арматура переточного трубопровода выполнена, по крайней мере, в виде двух последовательно включенных в переточный трубопровод регулирующих вентилей, напорная линия – в виде по крайней мере двух параллельных ветвей, а гидродинамическое нагревательное средство – в виде по крайней мере двух теплогенераторов кавитационного типа.

Устройство позволяет исключить применение во многих случаях дополнительного подкачивающего насоса, что обеспечивает соответствующую экономию энергозатрат и повышение надежности всего устройства в целом, но не обеспечивает высокой энергетической эффективности в длительном режиме работы.

Известен также кавитационный теплогенератор (Патент RU №2334177 МПК F24J3/00, Кавитационный теплогенератор / Порсев Е.Г., Зензеров А.Н. – Заявл. 13.04.2005; опубл. 20.09.2008, Бюл. № 26. – 10 с.), включающий полый корпус с крышкой, всасывающий патрубок для подвода нагреваемой жидкости и нагнетательный патрубок для отвода нагретой жидкости, ротор, расположенный внутри корпуса выполненный в виде центробежного насоса с отверстиями по периферии, статор установленный коаксиально ротору, регулятор давления на выходе из теплогенератора и нагнетательный орган на входе, причем выход теплогенератора соединен с распределительной сетью и отопительными приборами, а выход сети замкнут на вход теплогенератора, входной патрубок установлен на крышке корпуса вдоль оси, а выходной патрубок на корпусе установлен, например, по касательной к цилиндрической поверхности корпуса, ротор и статор выполнены цилиндрическими, отверстия на цилиндрических поверхностях ротора и статора выполнены, например, в виде радиальных прорезей, вытянутых вдоль оси вращения, статор закреплен на крышке корпуса с входным патрубком и расположен внутри ротора, нагнетательный патрубок соединен с регулятором давления, регулятор давления на выходе из теплогенератора выполнен в виде резервуара формой тела вращения с вводом по касательной к поверхности, образующей тело вращения, например, в виде гидроциклона, установленного над корпусом на высоте, обеспечивающей необходимое противодавление, а выход гидроциклона соединен с распределительной сетью. Кроме того, для управления и контроля параметров работы теплогенератор снабжен шкафом управления, содержащим пуско защитную аппаратуру и приборы для контроля теплофизических и электрических параметров. В распределительную сеть врезаны датчики температуры и расходомер. Для вращения ротора предусмотрен привод с электродвигателем.

Применение предложенной конструкции кавитационного теплогенератора позволяет повысить надежность работы теплогенератора за счет снижения эффекта кавитационной эрозии конструкции статора и ротора, а также энергетическую эффективность процесса преобразования кинетической энергии движущегося потока жидкости в теплоту за счет увеличения амплитуды пульсаций давления и оптимизации частоты пульсаций, но в связи с тем, что величина коэффициента преобразования энергии переменна и зависит не только от частоты пульсаций, но и от объема воды в системе, достичь высокой величины коэффициента преобразования энергии в длительном режиме работы невозможно.

Задача настоящего изобретения для устройства – повышение энергетической эффективности роторно-пульсационного кавитационного теплогенератора в длительном режиме и уменьшение габаритов системы.

Применение предлагаемого способа позволит повысить энергетическую эффективность роторно-пульсационного кавитационного теплогенератора в длительном режиме за счет того, что процесс кавитационного преобразования кинетической энергии движущегося потока воды в теплоту представляет собой процесс тепломассопереноса, подчиняющийся положению второго закона термодинамики, гласящего «…для осуществления обратного процесса увеличения разности температур тел до первоначальной, нужны компенсирующие процессы во внешних телах, обусловливающие, например, работу холодильной машины» (Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. – М.: Наука, 1979. – 942 с.). Таким компенсирующим процессом в данной системе теплогенерации будет процесс разрушения кластерной структуры воды (Н₂O) и высвобождение химической энергии кластерных связи (Н₂O)_n под действием фронта ударной волны от схлопывания кавитационных каверн. В этом случае нужно рассматривать кавитационный теплогенератор как тепловой насос (холодильную машину), имеющий как термодинамический КПД (всегда меньше единицы) и отопительный коэффициент (коэффициент преобразования энергии), который изменяется в диапазоне (Нестеренко А.В. Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха. – М.: Высшая школа, 1971. – 460 с.).

В связи с ограниченностью объема воды в контуре и не высоким числом энергии кластерных связей воды, высокое значение отопительного коэффициента может быть получено кратковременно. После окончания периода с высоким значением процесс необходимо выключить (см. Фиг. 1) до восстановления кластерной структуры под действием природных факторов, а затем снова включить для извлечения этой энергии (кластерных связей), далее процесс повторится. Способ нагрева жидкости в заявленной совокупности признаков является новым, неизвестным в науке и технике.

Таким образом, технический результат в способе, ожидаемый от использования способа, заключается в повышении энергетической эффективности роторно-пульсационного кавитационного теплогенератора в длительном режиме.

Указанный результат в способе достигается тем, что у заявленного технического решения появляются свойства, не равные сумме известных свойств, известных из аналогов:

а) Установлено экспериментально, что коэффициент преобразования энергии (относительный коэффициент) – величина переменная и имеет максимальную величину (см. Фиг. 1) непродолжительное время. Связано это, прежде всего, с частотой пульсации потока воды в контуре и с количеством энергии, поглощенной водой в расчете на 1т воды. После поглощенного водой определенного количества энергии акустического поля коэффициент преобразования падает до величины , поэтому необходимо в этот момент отключить электропривод, что даст среднюю величину .

б) Известно, что кластерная структура воды восстанавливается под влиянием природных факторов [1] за время минут, поэтому следующее включение необходимо производить через 10 минут, что позволит в длительном режиме работы иметь средний коэффициент преобразования на высоком уровне.

Применение предлагаемого устройства позволит повысить энергетическую эффективность роторно-пульсационного кавитационного теплогенератора за счет того, что конструкция схемы управления позволяет при осуществлении заявленного способа производить выключении электропривода роторно-пульсационного теплогенератора в момент снижения коэффициента преобразования энергии до величины и не допустить расходования электрической энергии при коэффициенте преобразования , тем самым обеспечить среднюю величину за время работы роторно-пульсационного теплогенератора при включенном состоянии, а уменьшение габаритов системы станет возможным вследствие того, что при повышении средней величины коэффициента преобразования энергии будет возможно изменение установленной мощности электропривода и активатора роторно-пульсационного аппарата.

Устройство для осуществления способы нагрева жидкости в заявленной совокупности признаков, является новым, неизвестным в науке и технике.

Использование повторно-кратковременного режима работы теплогенератора с отключением электропривода по критерию минимального предельно-допустимого значения коэффициента преобразования энергии и включения электропривода через выдержку времени минут, является нестандартным решением, логически не вытекает из уровня техники и отвечает критерию изобретательского уровня.

В связи с тем, что заявляемая конструкция устройства для осуществления способа нагрева жидкости высокотехнологична в серийном производстве (схема управления собирается из стандартных элементов), она отвечает критерию промышленной применимости.

Таким образом, технический результат в устройстве, ожидаемый от использования заявленного устройства, заключается в повышении энергетической эффективности роторно-пульсационного кавитационного теплогенератора в длительном режиме и уменьшении габаритов системы.

Указанный результат в устройстве достигается тем, что у заявленного технического решения появляются свойства, не равные сумме известных свойств, известных из аналогов:

а) повторно-кратковременный режим работы теплогенератора с отключением электропривода при снижении коэффициента преобразования энергии теплогенератора до величины , что позволит получить среднюю величину коэффициента преобразования ;

б) повторное включение электропривода роторно-пульсационного аппарата через 10 минут позволит восстановиться кластерной структуре воды до прежнего уровня, что обеспечит в новом цикле уровень коэффициента преобразования ;

в) повышение энергетической эффективности системы в длительном режиме позволит снизить установленную мощность электропривода (из-за увеличения теплопроизводительности, что приведет к снижению габаритов системы).

На Фиг. 1 представлена зависимость коэффициента преобразования энергии от частоты пульсации и количества механической энергии, введенной в рабочую жидкость.

На Фиг. 2 приведена схема теплогенератора.

На Фиг. 3 приведена схема автоматизации электропривода кавитационного теплогенератора.

Установка кавитационного теплогенератора включает: полый корпус 1 с крышкой, всасывающий патрубок 2 для подвода нагреваемой жидкости и нагнетательный патрубок 3 для отвода нагретой жидкости, ротор, расположенный внутри корпуса, выполненный в виде центробежного колеса с отверстиями по периферии, статор, установленный коаксиально ротору, регулятор давления на выходе из теплогенератора и нагнетательный орган на входе, причем выход теплогенератора соединен с распределительной сетью 5 и отопительными приборами 6, а выход сети замкнут на вход теплогенератора 2, входной патрубок установлен на крышке корпуса вдоль оси, а выходной патрубок на корпусе установлен по касательной к цилиндрической поверхности корпуса, ротор и статор выполнены цилиндрическими, отверстия на цилиндрических поверхностях ротора и статора выполнены в виде радиальных прорезей, вытянутых вдоль оси вращения, статор закреплен на крышке корпуса 1 с входным патрубком 2 и расположен внутри ротора, нагнетательный патрубок 3 соединен с регулятором давления 4, регулятор давления на выходе из теплогенератора выполнен в виде резервуара формой тела вращения с входом по касательной к поверхности, образующей тело вращения виде гидроциклона, установленного под корпусом на высоте, обеспечивающей необходимое противодавление, а выход гидроциклона соединен с распределительной сетью 5. Электропривод 7 ротора соединен со шкафом управления 8, причем шкаф управления 8 содержит счетчик электрической энергии 9, таймер 10, вычислительное устройство 11 и коммутационную аппаратуру в виде контактора 12 и поста управления кнопочного 13, причем вычислительное устройство 11 выполнено в виде реле, сравнивающего показания счетчика 9 с уставкой электрической энергии и подающего сигнал на отключение электропривода 7 и включающего таймер 10, который после достижения уставки времени подает сигнал на включение электропривода 7.

Установка работает следующим образом: после выставления уставок суммарной электрической энергии в размере воды на входе счетчика 9 и времени паузы на таймере 10 в размере 10 минут включают систему управления (шкаф управления 8), постом 13, система срабатывает и контактором 12 включает электропривод 7 в работу. Ротор начинает вращаться и созданной центробежной силой вода начинает двигаться в контуре, после начала кавитационного режима происходит разогрев воды, и подогретая вода поступает в распределительную сеть 5 и в отопительные приборы 6. После расходования энергии кластерной связи всем объемом воды, нагрев воды за счет кавитации падает и следует отключение электропривода 7 с помощью счетчика 9 и логического устройства 11, запускается таймер 10, за время паузы 10 минут кластерная структура воды восстанавливается за счет энергии внешних источников, после окончания паузы цикл повторяется.

Вариант конкретного выполнения устройства представляет собой роторно-пульсационный кавитационный теплогенератор с диаметром статора 220 мм, зазором между статором и ротором 0,2 мм, мощностью электропривода 4 кВт и объемом воды в контуре 40 л. При этом работа автоматического регулятора коэффициента преобразования энергии обеспечивает среднюю величину коэффициента преобразования не менее 3,0 на частоте пульсаций 6000 Гц.

Применение предлагаемого кавитационного теплогенератора позволит повысить энергетическую эффективность устройства в длительном режиме на 150-200% и уменьшить габаритную мощность электропривода на 10-20%.

Изобретение относится к способам нагрева жидкости кавитационным путем и устройствам для их осуществления и может быть использовано преимущественно в автономных замкнутых системах теплоснабжения, а также для нагрева воды в системах горячего водоснабжения и нагрева жидкостей в технологических системах. Способ включает вращение активатора роторно-пульсационного аппарата, подачу воды в рабочую полость активатора, нагрев воды кавитационным путем и подачу нагретой воды в систему отопления, причем нагрев ведут в повторно-кратковременном режиме при длительности рабочего импульса воды, а пауза составляет 10 минут. Устройство для осуществления способа содержит вычислитель в виде компаратора, сравнивающего показания счетчика электрической энергии с уставкой электрической энергии и подающего сигнал на отключение электропривода активатора и включающего таймер, который после достижения уставки времени подает сигнал на включение электропривода. Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности роторно-пульсационного кавитационного теплогенератора в длительном режиме и уменьшение габаритов системы. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ нагрева жидкости, включающий вращение активатора роторнопульсационного аппарата электродвигателем, подачу воды в рабочую полость активатора, нагрев воды в активаторе кавитационным путем и подачу нагретой воды в систему отопления, отличающийся тем, что нагрев ведут в повторно-кратковременном режиме, причем подачу электропитания на электродвигатель осуществляют после выставления уставки электрической энергии в размере $$W\approx 150-160кВт\cdot ч/{м}^3$$, по достижении которой отключают электропитание и выдерживают паузу, составляющую 10 минут.

2. Устройство для нагрева жидкости, включающее полый корпус с крышкой, всасывающий патрубок для подвода нагреваемой жидкости и нагнетательный патрубок для отвода нагретой жидкости, ротор расположенный внутри корпуса, выполненный в виде центробежного колеса с отверстиями по периферии, статор, установленный коаксиально ротору, регулятор давления на выходе из теплогенератора и нагнетательный орган на входе, причем выход теплогенератора соединен с распределительной сетью и отопительными приборами, а выход сети замкнут на вход теплогенератора, входной патрубок установлен на крышке корпуса вдоль оси, а выходной патрубок на корпусе установлен, например, по касательной к цилиндрической поверхности корпуса, ротор и статор выполнены цилиндрическими, отверстия на цилиндрических поверхностях ротора и статора выполнены, например, в виде радиальных прорезей, вытянутых вдоль оси вращения, статор закреплен на крышке корпуса с входным патрубком и расположен внутри ротора, нагнетательный патрубок соединен с регулятором давления, регулятор давления на выходе из теплогенератора выполнен в виде резервуара формой тела вращения с вводом по касательной к поверхности, образующей тело вращения, например, в виде гидроциклона, установленного над корпусом на высоте, обеспечивающей необходимое противодавление, а выход гидроциклона соединен с распределительной сетью, электропривод ротора соединен со шкафом управления, отличающееся тем, что шкаф управления содержит счетчик электрической энергии, таймер, вычислительное устройство и коммутационную аппаратуру, причем вычислительное устройство выполнено в виде компаратора сравнивающего показания счетчика электрической энергии с уставкой электрической энергии для подачи электропитания на электропривод, равной $$W\approx 150-160кВт\cdot ч/{м}^3$$, и подающего сигнал на отключение электропитания электропривода и включающего таймер, который после достижения уставки времени 10 минут подает сигнал на включение электропривода.