Способ тепловыделения в жидкости и устройство для его осуществления

Способ тепловыделения в жидкости и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к способам воздействия на поток текучей среды, и может быть использовано в гидродинамике, преимущественно в тепло- и массообменных аппаратах. Изобретение может быть использовано в теплогенераторах, обеспечивающих теплоснабжение объектов промышленности, сельского хозяйства и транспорта, т.е. там, где необходимо получение значительного количества тепловой энергии.

Дополнительную тепловую энергию можно получать с помощью вихревого нагревателя жидкости (ВНЖ). Приоритет в открытии вихревого нагревателя жидкости принадлежит А.П.Меркулову. Вихревые нагреватели отличаются высокой эффективностью - отношением производимой теплоты к потребляемой на их привод энергии.

То, что механическое воздействие на жидкость в замкнутом объеме приводит к ее нагреву, установили еще Д.П.Джоуль и его современник Роберт Майер, определившие механический эквивалент теплоты. Но только в наше время установлено, что в тепло может быть превращена не только механическая работа привода, но и внутренняя энергия жидкости (на основе использования свойств жидкости, проявляющихся при особых условиях ее взаимодействия с поверхностями твердых тел, а также между внутренними слоями жидкости - в режиме кавитации).

Избыточное тепловыделение при кавитации, по-видимому, связано с тем, что при схлопывании кавитационных пузырьков происходит кумуляция - многократное повышение давления и температуры среды в микроскопической окрестности центра пузырька. Вещество там переходит в плазменное состояние, по некоторым данным [Flint Е.В., Suslick K.S. Science, 1991. V.253. P.1397; Hiller R., Putterman S.J., Barber B.P. Phys. Rev. Lett. 1992. V.69. P.1182] температура его достигает 10⁵-10⁶ К. В этой среде при экстремальных параметрах происходят экзотермические реакции трансформации ядер молекул жидкости, определяющие избыточное энерговыделение.

Только в 90-е гг. XX века появились конструкции гидродинамических генераторов тепла, работающих на основе вихревого эффекта и кавитации.

Известен «Способ выделения энергии посредством вращательно-поступательного движения жидкости и устройство для преобразования и выделения энергии в жидких средах» по RU 2287118 C1, F24J 3/00, 10.11.2006, в котором реализован принцип ультразвукового гидродинамического излучателя, вихревого преобразователя и кавитационный эффект. Результатом выделяемого тепла в выходном сопле является преобразование кинетической, потенциальной и внутренней энергии вращательно-поступательного движения потока жидкости за счет торможения кавитационного потока с наложенным на него резонансным возмущением. Иными словами, данное тепло вырабатывается кинетикой потока, при этом дополнительное тепло выделяется за счет кавитации и энергии стоячих волн, образованных за счет резонанса. В результате реализован комбинированный способ выработки тепла.

Однако недостатком известного решения является то, что в нем торможение потока осуществляется механическими средствами, что приводит к физическому разрушению лопаток пластин.

Указанный недостаток устранен в «Способе нагрева потока жидкости» по RU 2225967 C2, F24J 3/00, 20.03.2004, за счет торможения потока другим встречным потоком, что исключает механическое воздействие жидкости на само устройство. Для этого способ предусматривает разделение общего потока на несколько потоков, ускорение каждого из этих потоков и закрутку в цилиндрическом канале, торможение потоков и соединение в общий поток, при этом производят закрутку потоков соосно, направление закрутки выбирают противоположным и производят соударение этих потоков, а параметры потоков выбирают из условия равенства нулю суммарного момента вращения. Там же описано устройство для осуществления этого способа, содержащее цилиндрические каналы с закручивающими (вихревыми) устройствами, на выходе которых установлена камера торможения, выполненная с возможностью соударения закрученных потоков, и средство сбора потоков.

Однако в указанном способе не используется резонансное возбуждение вихревых потоков, а также гидроудара и электроимпульсного воздействия.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности преобразования физико-химических связей на молекулярном уровне и интенсификация тепломассоэнергообмена за счет комбинированного способа (комплексного) воздействия, использующего резонансное возбуждение вихревых потоков, а также гидроудара и электроимпульсного воздействия.

Достигается это тем, что в известном способе тепловыделения в жидкости, включающем ускорение потока жидкости с разделением его на несколько потоков, закручивание их в канале, торможение потоков путем соударения встречных потоков и объединение в общий поток, поток разделяют на 8 пар закрученных (вихревых) потоков, по 2 пары друг над другом (всего 16 потоков), закручивание (вихреобразование) осуществляют с помощью архимедовых винтов, при выходе из которых каждый поток направляют в пульсационную камеру, создавая посредством прерывателя гидроудары на встречных вихревых (закрученных) потоках с возникновением кавитации с резонансным возбуждением потока, затем встречные закрученные (вихревые) потоки в момент открытия пульсационной камеры подвергают высоковольтному электроимпульсному разряду малой мощности при условии принудительного разрежения среды, осуществляемого крыльчаткой центробежного насоса, и объединяют в акустической камере с возможностью дополнительного акустического резонансного возбуждения.

Для осуществления настоящего способа предлагается кавитатор-теплогенератор, включающий каналы с закручивающими (вихревыми) устройствами, на выходе которых установлена камера торможения, выполненная с возможностью соударения закрученных потоков, и средство сбора потоков, который снабжен 16 продольными каналами с закручивающими устройствами (ускорителями-формирователями), выполненными в виде архимедовых винтов, расположенных по 2 пары друг над другом, а сами каналы выполнены с возможностью накопления энергии импульса гидроудара, при этом камера торможения выполнена в виде пульсационной камеры с прерывателями с возможностью поочередного включения пар вихревых потоков во взаимодействие друг с другом, причем кавитатор снабжен крыльчаткой центробежного насоса, установленной с возможностью разрежения среды, а средство сбора потоков выполнено в виде акустической камеры.

Изобретение поясняется чертежами, где на

фиг.1 изображена схема взаимодействия вихревых потоков;

фиг.2 изображена схема прохождения потоков;

фиг.3 изображен кавитатор-теплогенератор в разрезе;

фиг.4 изображен разрез по А-А корпуса ускорителя-формирователя на фиг.3.

Конструкция кавитатора-теплогенератора включает:

1 - патрубок входа;

2 - камера ввода потоков;

3 - ввод ускорителя-формирователя (закручивающего устройства);

4 - корпус ускорителей-формирователей;

5 - ускоритель-формирователь (закручивающее устройство);

6 - пульсационная камера;

7 - прерыватель (пульсационный);

8 - ось приводного электродвигателя;

9 - крыльчатка центробежного насоса;

10 - акустическая камера сбора потоков;

11 - патрубок выхода;

12 - высоковольтные электроды формирователя электроимпульса;

13 - камера распределения потоков.

Способ тепловыделения осуществляется следующим образом.

На фиг.1 условно показано взаимодействие вихревых потоков (А и Б) и создание зоны акустического резонанса (С).

Вихревые потоки формируются в продольных каналах ускорителей-формирователей (закручивающих устройств) потоков с помощью камеры ввода потоков 2 и вводов 3 (фиг.3), в которые среда поступает под давлением Р1 со скоростью V1 (обеспечиваемых насосом - не показан). Причем Р1 выбрано экспериментально (подбором) и составляет 3,2 атм (процесс кавитации начинается с давления 3 атм). Далее жидкость входит в продольные каналы ускорителей-формирователей (закручивающих устройств) - архимедовых винтов 5, где происходит формирование (закручивание) вихревых потоков жидкости и изменение скорости их движения за счет сужения диаметра. В технике известно, что архимедов винт представляет собой открытую с двух сторон цилиндрическую трубу, по оси которой установлен вал с винтовой поверхностью («Политехнический словарь» под ред. И.И.Артоболевского, 1976 г.). При этом осуществляется первое воздействие на потоки - закручивание. В каналах ускорителей-формирователей давление Р2 больше Р1. Длина канала подбирается таким образом, чтобы скорость потока V2 была много больше V1 (чем больше длина канала, тем больше скорость потока V2, при этом до определенного момента зависимость логарифмическая). Также экспериментально установлено, что архимедов винт целесообразно проворачивать на 3 оборота, при этом достигается максимальная скорость потока. Поток разделяют на 8 пар закрученных (вихревых) потоков, соответственно выходящих из каналов с архимедовыми винтами. При выходе потока из архимедова винта каждый поток выходит закрученным и попадает в пульсационную камеру 6. Поскольку потоки закручены в одну сторону (от 8-и потоков), на выходе получается 8 зон взаимодействия вихревых потоков. Прерыватель (гидравлический) 7 поочередно «включает» вихревые потоки, создавая гидроудары. Это является вторым видом воздействия на потоки. Ускорителей-формирователей потоков жидкости (архимедовых винтов) 8 пар, по 2 пары друг над другом (см. фиг.4) - всего получается 16 потоков для их совместного взаимодействия. Это обеспечивает усиление взаимодействия, кроме того, в центре также образуется дополнительная зона взаимодействия всех вихревых потоков. В результате - много реакций взаимодействия потоков друг с другом, большое количество образующихся пузырьков и каверн. Т.е. возникает кавитация с резонансным возбуждением потока. Все это сопровождается увеличением высвобождающейся энергии. Затем встречные закрученные (вихревые) потоки в момент открытия пульсационной камеры подвергают высоковольтному электроимпульсному разряду малой мощности при условии принудительного разрежения среды, осуществляемого крыльчаткой 9 центробежного насоса. Все это обуславливает дополнительное воздействие на среду с увеличением образования каверн и схлопывания кавитационных пузырьков, что также приводит к увеличению высвобождения энергии. Это является третьим видом воздействия на потоки. Затем потоки объединяют в акустической камере 10, при этом при суммировании потоков, колеблющихся с одинаковой или приблизительно одинаковой частотой, возникает дополнительное акустическое резонансное возбуждение.

Таким образом, за счет комбинированного способа (комплексного) воздействия, использующего резонансное возбуждение вихревых потоков, а также гидроудара и электроимпульсного воздействия обеспечивается повышение эффективности преобразования физико-химических связей на молекулярном уровне и интенсификация тепломассоэнергообмена.

1. Способ тепловыделения в жидкости, включающий ускорение потока жидкости, с разделением его на несколько потоков, закручивание их в канале, торможение потоков путем соударения встречных потоков и объединение в общий поток, отличающийся тем, что поток разделяют на 8 пар закрученных (вихревых) потоков, по 2 пары друг над другом (всего 16 потоков), закручивание (вихреобразование) осуществляют с помощью архимедовых винтов, при выходе из которых каждый поток направляют в пульсационную камеру, создавая посредством прерывателя гидроудары на встречных вихревых (закрученных) потоках с возникновением кавитации с резонансным возбуждением потока, затем встречные закрученные (вихревые) потоки в момент открытия пульсационной камеры подвергают высоковольтному электроимпульсному разряду малой мощности при условии принудительного разрежения среды, осуществляемого крыльчаткой центробежного насоса, и объединяют в акустической камере с возможностью дополнительного акустического резонансного возбуждения.

2. Кавитатор-теплогенератор, включающий каналы с закручивающими (вихревыми) устройствами, на выходе которых установлена камера торможения, выполненная с возможностью соударения закрученных потоков, и средство сбора потоков, отличающийся тем, что он снабжен 16 продольными каналами с закручивающими устройствами (ускорителями-формирователями), выполненными в виде архимедовых винтов, расположенных по 2 пары друг над другом, а сами каналы выполнены с возможностью накопления энергии импульса гидроудара, при этом камера торможения выполнена в виде пульсационной камеры с прерывателями с возможностью поочередного включения пар вихревых потоков во взаимодействие друг с другом, причем кавитатор снабжен крыльчаткой центробежного насоса, установленной с возможностью разрежения среды, а средство сбора потоков выполнено в виде акустической камеры.