Способ получения тепловой энергии и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к нагреву жидкости, и может быть использовано в системах автономного водяного отопления зданий и сооружений, транспортных средств, подогрева воды для производственных и бытовых нужд. Способ получения тепловой энергии заключается в том, что жидкость, в частности воду, подают под давлением в жидкостно-газовый смеситель, в который одновременно подают под давлением газ, в частности воздух. После смесителя жидкостно-газовую смесь направляют в теплогенерирующую трубу с последовательно установленными в ней проставками, где жидкостно-газовую смесь разогревают и направляют в сепаратор, в котором происходит разделение жидкости и газа. Жидкость из сепаратора либо подают непосредственно в систему теплопотребления, либо на сепараторе (или внутри него) размещают теплообменник этой системы. Отдавшую часть тепла потребителю жидкость возвращают на вход в насос, а газ из сепаратора направляют в жидкостно-газовый смеситель. Устройство для получения тепловой энергии предлагаемым способом содержит замкнутый контур циркуляции теплоносителя с насосом, жидкостно-газовый смеситель, теплогенерирующую трубу со вставками, сепаратор, подающие и обратные трубопроводы в жидкостном и газовом трактах с установленной на них арматурой обвязки. Изобретение позволяет осуществить значительную экономию электроэнергии. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к нагреву жидкости, и может быть использовано в системах автономного водяного отопления жилых помещений, зданий и сооружений различного назначения, транспортных средств, подогрева воды для производственных и бытовых нужд, для обогрева сушилок сельхозпродуктов.

Известны устройства, в которых тепловая энергия вырабатывается за счет изменения давления, скорости и объема рабочей среды. К числу такого рода устройств относятся вихревые трубы, в которых реализуется эффект Ранка - Хильша (А.В. Мартынов, В.М. Бродянский. Что такое вихревая труба? - М.: Энергия, 1976, с.6-10, рис.1-1). В этих устройствах газ с помощью компрессора, приводимого во вращение от электропривода, сжимается и через улитку, в которой он разгоняется до больших скоростей, подается по касательной к внутренней поверхности цилиндрической трубы. В этой трубе газ расширяется и разделяется на два потока - горячий (периферийный) и холодный (центральный или осевой).

Горячий поток, температура которого больше температуры сжатого газа, отводится с противоположного конца трубы через регулировочный вентиль в систему, потребляющую тепловую энергию.

Холодный поток, температура которого значительно ниже температуры сжатого газа, через отверстие, выполненное в торце улитки, отводится в противоположную сторону.

Предельная простота конструкции и неприхотливость вихревых труб делают их незаменимыми для многих применений. Однако в качестве источников тепловой энергии такие трубы используются редко. Обусловлено это низким кпд вихревых труб, в которых большое количество энергии затрачивается на сжатие газа в компрессоре.

Существенно выше эффективность способа и подобных по конструктивной схеме устройств, в которых в качестве рабочей среды используется жидкость, в частности вода (Ю.С. Потапов, Л.П. Фоминский. Вихревая энергетика и холодный ядерный синтез с позиции теории движения. Кишинев - Черкассы, 2000, с.160-172).

Известен способ получения тепловой энергии, заключающийся в том, что жидкость под давлением подают тангенциально в спиральный циклон-ускоритель движения жидкости, где происходит приращение ее механической энергии, затем жидкость поступает в цилиндрическую вихревую трубу, где происходит ее разделение на два потока - периферийный горячий прямоток и "холодный" (теплый), движущийся в центральной части трубы в противоположную сторону. Далее эти потоки смешиваются и горячую воду подают к потребителю (Патент РФ №2045715, МПК F 25 В 29/00, 1993).

Данный способ осуществляется в известном из того же патента устройстве - вихревом теплогенераторе, содержащем корпус с цилиндрической частью, оснащенный циклоном, торцевая сторона которого соединена с цилиндрической частью корпуса - вихревой трубой, в противоположной части этой трубы смонтировано тормозное устройство и дно с выходным отверстием, сообщающимся с выходным патрубком. Этот патрубок посредством перепускного патрубка соединен с наружным торцом циклона, в котором выполнено отверстие, соосное с цилиндрической частью корпуса.

И тем не менее, в вихревом теплогенераторе тепловой энергии вырабатывается значительно меньше, чем может быть получено при тех же затратах электроэнергии другими способами, предусматривающими выработку тепловой энергии за счет изменения давления, скорости и объема рабочей среды.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение нагрева жидкости со значительной экономией электроэнергии.

Поставленная задача достигается путем реализации предлагаемого способа получения тепловой энергии за счет изменения давления, скорости и объема рабочей среды, в качестве которой используют жидкостно-газовую смесь. Жидкость с помощью насоса подают под давлением на вход в жидкостно-газовый смеситель, в который одновременно под давлением подают газ, после смесителя жидкостно-газовую смесь направляют в теплогенерирующую трубу, разогретую в процессе движения в ней жидкостно-газовую смесь направляют в сепаратор, в котором происходит разделение жидкости и газа, жидкость из сепаратора направляют в теплообменные устройства и возвращают на вход в насос, а газ из сепаратора направляют в жидкостно-газовый смеситель.

Для удобства в эксплуатации и снижения стоимости тепловой энергии, вырабатываемой предлагаемым способом, в качестве жидкости можно использовать воду, а в качестве газа - воздух.

Отличительные признаки предлагаемого способа позволяют обеспечить нагрев жидкости до нужной температуры при значительно меньших относительных затратах электроэнергии по сравнению с вихревыми теплогенераторами.

Для достижения указанного технического результата предлагается устройство, содержащее замкнутый контур циркуляции теплоносителя, насос, теплогенератор, соединенный с теплообменными устройствами.

Согласно предлагаемому изобретению теплогенератор выполнен в виде последовательно установленных в замкнутом контуре жидкостно-газового смесителя, теплогенерирующей трубы и сепаратора, жидкостная часть сепаратора соединена с теплообменными устройствами, выход из которых соединен с входом в насос, а газовая часть сепаратора соединена с входом газа в жидкостно-газовый смеситель.

Для уменьшения расхода электроэнергии на выработку тепла в предлагаемом устройстве и сокращения длины теплогенерирующей трубы в нее вмонтированы последовательно проставки с клинообразными ребрами или коническими отверстиями.

Для разделения контура выработки тепла и контура теплопотребления на сепараторе или внутри него установлен теплообменник, соединенный с потребителями тепла. В этом случае выход из жидкостной части сепаратора напрямую соединен с входом в насос, подающий воду в жидкостно-газовый смеситель.

С целью уменьшения времени, необходимого для выведения устройства на расчетный режим работы, и для компенсации возможных небольших утечек из газового контура в предлагаемом устройстве установлен аккумулятор высокого давления воздуха, жидкостная часть которого соединена с выходом из насоса, подающего воду в жидкостно-газовый смеситель, а газовая - через редуктор соединена с газовым контуром устройства.

Того же результата можно достичь, если в устройстве будет смонтирован баллон со сжатым газом и редуктором, соединенным с газовым контуром устройства.

На фиг.1 схематически представлена принципиальная схема устройства, в котором реализуется предлагаемый способ получения тепловой энергии, а на фиг.2 в графической форме приведены основные результаты экспериментальных работ, проведенных на опытной установке.

На фиг.1 позициями обозначены:

1 - насос циркуляционный;

2 - электропривод;

3 - жидкостно-газовый смеситель;

4 - теплогенерирующая труба;

5 - проставки;

6 - сепаратор;

7 - теплообменник;

8 - потребитель тепла;

9 - аккумулятор воздуха высокого давления;

10 - дроссель;

11, 12, 13, 14, 15 - вентили или запорные краны;

16 - редуктор воздушный;

17, 18 - подающий и обратный трубопроводы в жидкостном тракте;

19 - обратный трубопровод в газовом тракте;

20, 21 - подающий и обратный трубопроводы в варианте устройства, когда жидкость из сепаратора подается напрямую потребителям тепла;

22 - трубопровод подачи воды в аккумулятор.

В устройство для получения тепла входит жидкостный тракт, который представляет собой замкнутый контур с подающим 17 и обратным 18 трубопроводами. На линии этих трубопроводов расположены циркуляционный насос 1 с электроприводом 2, жидкостно-газовый смеситель 3, теплогенерирующая труба 4 с последовательно установленными в ней проставками 5, сепаратор 6 со смонтированным на нем (или в нем) теплообменником 7, заправочный вентиль 15.

В случае, когда насос 1 рассчитан на высокое выходное давление, в теплогенерирующую трубу устанавливают проставки 5.

Теплообменник 7 может не устанавливаться на сепаратор 6 (или внутри него). В этом случае жидкостная полость сепаратора соединяется трубопроводом 20 с входом в тракт потребления тепла, а выход из этого тракта посредством трубопровода 21 соединяется с входом в насос 1, как показано штрихпунктирными линиями на фиг.1.

Газовый тракт подачи отсепарированного газа из сепаратора 6 в жидкостно-газовый смеситель 3 также представляет собой замкнутый контур, состоящий из трубопровода 19 с установленным в нем дросселем 10.

В случае, когда в качестве газа используется воздух, в устройство устанавливается для заправки и наддува контура аккумулятор воздуха высокого давления 9, соединенный посредством трубопровода 22 с расположенным на нем вентилем 12, с выходом насоса 1. Выход из воздушной полости аккумулятора 9 через редуктор 16 соединен трубопроводом со входом в жидкостно-газовый смеситель 3.

Работа устройства с предварительно заполненным водяным и газовым трактами и открытым вентилем 11 начинается с запуска электродвигателя 2, приводящего во вращение насос 1, и, с промежутком во времени, открытием дросселя 10. Начинается процесс движения воды, которая смешивается в жидкостно-газовом смесителе 3 с газом, в частности с воздухом, поступающим из газовой полости сепаратора 6. В процессе движения жидкостно-гаэовой смеси в теплогенераторе 4 происходит ее неоднократное ускорение и торможение, сопровождающееся разогревом этой смеси.

Попадая в сепаратор 6, жидкостно-газовая смесь, в результате внезапного расширения и глубокого диспергирования, разделяется на фазы. Вода через трубопровод 18, после прохождения через тракт теплообменника 7, поступает на вход в насос 1, а газ через регулировочный дроссель 10 по трубопроводу 19 - на вход в жидкостно-газовый смеситель 3. Вентиль 11 используется для регулирования расхода воды в подающем 17 и обратном 18 трубопроводах, а вентиль 15 - для заправки и подпитки устройства водой.

Тепло от воды и газа передается из сепаратора 6 в установленный вокруг (или внутри него) теплообменник 7, соединенный трубопроводами с потребителями тепла.

Для поддержания в газовом тракте устройства высокого давления газа можно использовать аккумулятор 9. В этом случае до включения устройства в работу открываются вентиль 14, сообщающий внутреннюю полость аккумулятора с атмосферой, и вентиль 13, через который производится слив воды из аккумулятора. Далее указанные вентили, а также вентиль 11 закрываются, открывается вентиль 12 и запускается электродвигатель 2, приводящий во вращение насос 1. Вода под давлением поступает по трубопроводу 22 в аккумулятор 9, сжимая находящийся в нем воздух. В процессе работы устройства автоматически производится подпитка его газового тракта воздухом высокого давления через специально отрегулированный редуктор 16.

Подпитку газового тракта можно производить и от традиционной баллонной системы через специально отрегулированный редуктор.

В соответствии с сущностью изобретения был изготовлен экспериментальный образец теплогенераторной установки (ТГУ) с использованием водяного центробежного электронасосного агрегата марки ХГН 20/35, жидкостно-газового смесителя, теплогенерирующей трубы, сепаратора и арматуры обвязки. Отношение использовавшихся длин теплогенераторных труб (L) к их диаметрам (d), т.е. L/d менялось в пределах от 10 до 30, а соотношение массы газа (G_г) к массе воды (G_ж) было примерно 0,1.

Установка предназначалась и была использована для исследования эффективности ее работы на различных газах (воздух, гелий, метан и др.) и выбора оптимального соотношения L/d в режиме горячего водоснабжения. Потери тепловой энергии в контуре потребления тепла имитировались путем слива из сепаратора горячей воды и его подпитки водой холодной. Результаты исследований представлены на фиг.2, на которой по оси абсцисс отложено время в минутах, а по оси ординат - температура воды на выходе из сепаратора. На этой фигуре в виде кривых линий показано изменение температуры на выходе из сепаратора на протяжении трех режимов: режима прогрева жидкости в контуре теплогенератора (после его заправки холодной водой) - I, переходного режима - II и установившегося режима - III. Температура воды в сепараторе может превышать 100°С, так как давление газа выше атмосферного давления. После выхода теплогенератора на установившийся режим отопительный коэффициент (К_отоп.) достигает значений:

для водно-воздушной смеси - не менее 2,7;

для водно-метановой смеси - не менее 2,9;

для водно-гелиевой смеси - не менее 3,1.

Преимущества предлагаемого способа получения тепловой энергии по сравнению с известными - значительная экономия электроэнергии или природных топливных ресурсов, сохранение кислорода в земной атмосфере и отсутствие выбросов в нее вредных продуктов сгорания.

Формула изобретения

1. Способ получения тепловой энергии в теплогенераторе за счет изменения давления, скорости и объема рабочей среды, заключающийся в том, что жидкость подают в теплогенератор с помощью насоса, приводимого во вращение от электропривода, направляют в теплообменные устройства и подают на вход в насос, отличающийся тем, что в теплогенератор подают газ, где он смешивается в жидкостно-газовом смесителе, после жидкостно-газового смесителя жидкостно-газовую смесь направляют в теплогенерирующую трубу теплогенератора, разогретую в процессе движения в ней жидкостно-газовую смесь направляют в сепаратор теплогенератора, в котором происходит разделение жидкости и газа, а газ из сепаратора направляют в жидкостно-газовый смеситель теплогенератора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют воду.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газа используют воздух.

4. Устройство для получения тепловой энергии, содержащее замкнутый контур циркуляции теплоносителя, включающий в себя приводимый во вращение от электропривода насос, соединенный через теплогенератор с теплообменниками, выход которых соединен с входом в насос, отличающееся тем, что теплогенератор выполнен в виде последовательно установленных в замкнутом контуре жидкостно-газового смесителя, теплогенерирующей трубы и сепаратора, при этом газовая часть сепаратора через дроссель соединена с входом в жидкостно-газовый смеситель.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в теплогенерирующую трубу вмонтированы последовательно проставки с клинообразными ребрами или коническими отверстиями.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что на сепараторе или внутри него установлен теплообменник, соединенный с потребителями тепла, а выход из жидкостной части сепаратора соединен с входом в насос, подающий жидкость в жидкостно-газовый смеситель.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в нем установлен аккумулятор высокого давления воздуха, жидкостная часть которого соединена с выходом из насоса, подающего воду в жидкостно-газовый смеситель, а газовая через редуктор соединена с газовым контуром устройства.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в нем установлен баллон со сжатым газом и редуктором, соединенным с газовым контуром устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2