Способ нагрева жидкого теплоносителя и устройство для его осуществления

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к способам и устройствам для нагревания жидкого теплоносителя. Топливо и окислитель подают в теплоноситель раздельно, затем смешивают их непосредственно в теплоносителе с образованием пузырька с горючей смесью. Создают множество таких пар потоков "топливо-окислитель". Образующиеся пузырьки с горючей смесью сжигают, для чего инициируют внутри пузырьков электрические пробои. Пузырьки сжигают в пульсирующем (циклическом) режиме самосинхронизации зажигания выдуваемых пузырьков в моменты достижения ими критических (проектно заданных) размеров. Устройство имеет не менее двух подводящих трубопроводов для обеспечения возможности раздельной подачи топлива и окислителя в теплоноситель. Каждый трубопровод имеет множество трубок-ответвлений, которые объединены попарно таким образом, что образуют каналы для раздельной подачи топлива и окислителя в теплоноситель с возможностью образования пузырька горючей смеси. Трубки-ответвления объединены в отдельные блоки, заключенные в диэлектрические корпуса, и подсоединены к соответствующим трубопроводам. При этом трубки-ответвления имеют выход на активную поверхность упомянутого диэлектрического корпуса. Использование изобретений позволит существенно повысить производительность и КПД. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к способам нагревания текучей среды (теплоносителя) и устройствам для их осуществления.

Известны способы нагрева теплоносителя, см., например, патент Японии №10-89625 (1998 г.) [1], патент РФ №2115065 (1998 г.) [2], патент РФ №2361148 (2004 г.) [3], патент РФ №2092739 (1997 г.) [4] и др. Так способ получения нагретого теплоносителя [2] включает каталитическое беспламенное сжигание топлива в смеси с воздухом и несжигаемым компонентом и последующую подачу образовавшегося теплоносителя на утилизацию. При этом топливовоздушную смесь перед подачей на сжигание нагревают полученным теплоносителем. Причем несжигаемым компонентом является также воздух, общее количество которого в смеси с топливом превышает стехиометрически необходимое для сжигания топлива в 3-10 раз. Данный способ предназначен в основном для процессов нефтепереработки и, в частности, для каталитического риформинга углеводородов.

Известны различные устройства для нагрева теплоносителя, см., например, патент РФ №2372572 (2009 г.) [5], патент Японии №10-89625 (1998 г.) [1] патент РФ №2115065 (1998 г.) [2], патент РФ №2361148 (2004 г.) [3], патент РФ №2092739 (1997 г.) [4] и др. Известно устройство для сжигания газообразного топлива в жидкости [1], содержащее «камеру сгорания», заполненную жидкостью, смеситель для смешения газообразного топлива и кислорода, устройство для подачи горючей газовой смеси из смесителя в жидкость внутрь «камеры сгорания» с образованием «мельчайших» газовых пузырьков с горючей смесью, генератор звуковых колебаний в жидкости для инициирования путем адиабатического обжатия газовых пузырьков. При этом используется вода, прощедшая специальную водоподготовку, но без удаления из нее воздуха, т.е. насыщена воздухом. Генератор акустических волн, создающий волну сжатия в жидкости, сжимает горючую смесь в пузырьках для адиабатического инициирования последней. Ввиду сложности создания монодисперсных пузырьков не все пузырьки инициируются данным способом. При этом затруднительно обеспечить управляемое объемное газосодержание в жидкости более 10%, т.к. с увеличением газосодержания за счет процессов коалесценции образуются большие пузыри, что приводит к несанкционированным взрывам.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ нагрева жидкости по патенту Японии №2005-147464 (2005 г.) [6].

Известный способ нагрева жидкости [6] включает подачу и сжигание горючей смеси (топлива в смеси с окислителем) с последующей подачей нагретого теплоносителя на реализацию. В известном способе смесь газообразного топлива и окислителя вдувают из одной трубки в жидкость в виде одного пузырька и поджигают электрическим разрядом. Перемешивание топлива и окислителя производят заранее в отдельном устройстве, и в жидкость вдувается уже готовая смесь. Электрический разряд создают между двумя отдельными электродами, электрически изолированными от трубки и расположенными таким образом, чтобы при вдувании горючей смеси в жидкость газовый пузырек перекрывал пространство (зазор) между двумя разнополярными электродами, а сами электроды оказались внутри газового пузырька.

Однако у известного способа малая производительность и недостаточный КПД. Данным способом сложно достичь высоких мощностей нагрева теплоносителя. Перемешивание топлива и окислителя производят заранее в отдельном устройстве, и в жидкость вдувается уже готовая горючая смесь, причем сжигают не более одного пузырька за цикл, при этом зажигание смеси возможно не только в пузырьке, но и в трубопроводе на участке от торца трубки до электромагнитного клапана, что может приводить к образованию и всплытию большого пузыря со сгоревшими газами, а следовательно, к низкой эффективности передачи тепла жидкости через стенку горячего пузырька в процессе его всплытия.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для нагрева жидкости по патенту Японии №2005-147464 (2005 г.) [6].

Известное устройство для нагрева жидкости [6] содержит бак с теплоносителем, трубопровод для подачи горючей смеси, электромагнитный клапан контроллера подачи газа, электроды, устройство электроискрового воспламенения (инициирования) пузырька. В известном устройстве внутри бака с теплоносителем размещены трубка для подачи горючей смеси в жидкость и два разрядных электрода вблизи нее. Оба электрода электроизолированы относительно трубки для подачи горючей смеси. Снаружи бака установлены регулятор подачи горючей смеси в жидкость, прибор электроискрового воспламенения пузырька с горючей смесью, соединенный с разрядными электродами проводниками, аппарат управления электромагнитным клапаном регулятора подачи горючей смеси и отдельного прибора для управления как электроискровым воспламенением пузырька, так и регулятором подачи горючей смеси.

Однако вышеописанное устройство недостаточно эффективно. Оно малопроизводительно и имеет недостаточный КПД. Инициирование пузырька с горючей смесью осуществляется посредством близкорасположенных электродов. Износ электродов в процессе эксплуатации требует корректировки и регулировки зазоров между этими элементами. Для этого потребуются ремонтно-наладочные технологические перерывы в эксплуатации, а также дополнительное оборудование.

Таким образом, для известных способа и устройства характерны недостаточный КПД и малая производительность.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является повышение КПД и производительности.

Для решения поставленной задачи согласно изобретению предложен способ нагрева жидкого теплоносителя, включающий сжигание горючей смеси из топлива и окислителя в пузырьке и последующую подачу нагретого теплоносителя на реализацию, при этом топливо и окислитель подают в теплоноситель по трубкам раздельно, затем смешивают их непосредственно в теплоносителе с образованием пузырька с горючей смесью. Причем создают множество таких пар потоков "топливо-окислитель". Образующиеся пузырьки с горючей смесью сжигают, для чего инициируют внутри пузырьков электрические пробои с последующей генерацией вихревых потоков жидкости с горячими пузырьками, обеспечивающих их дробление и ускоренный теплообмен. При этом инициируют электрический разряд, подавая напряжение на торцы подающих топливо и окислитель трубок, используя их в качестве одного электрода, и на теплоноситель, используя его в качестве другого (противоположного) электрода. При этом упомянутые пузырьки сжигают в пульсирующем (циклическом) режиме самосинхронизации зажигания выдуваемых пузырьков в моменты достижения ими критических (проектно заданных) размеров.

Кроме того, осуществляют синхронное встречное (оппозитное) движение горячих пузырьков с целью их дополнительного дробления.

Пузырьки зажигают синхронно многоочаговыми электрическими разрядами, для чего генерируют последние на множественных концентраторах тока. Таковыми могут являться, например, электропроводящие торцы подводящих трубок-ответвлений.

При этом создают условия инициирования пробоев пузырьков электрическим током в режиме самосинхронизации электрогидродинамических процессов при многоочаговых разрядах.

Кроме того, создают условия циклического зарождения множества пузырьков с горючей смесью внутри жидкого теплоносителя.

Таким образом, пузырьки зажигают электрическими разрядами в режиме электродинамической самосинхронизации, для чего генерируют последние на множественных концентраторах тока, например, на электропроводящих торцах подводящих трубок-ответвлений.

Также для решения поставленной задачи для реализации заявляемого способа нагрева жидкого теплоносителя согласно изобретению предложено устройство, включающее емкость с теплоносителем и устройство инициирования, которое имеет не менее двух подводящих трубопроводов для обеспечения возможности раздельной подачи топлива и окислителя в теплоноситель. Каждый трубопровод имеет множественные трубки-ответвления для подачи топлива и окислителя в теплоноситель. Трубки-ответвления обоих подводящих трубопроводов, для топлива и окислителя соответственно, объединены попарно таким образом, что образуют каналы для раздельной подачи топлива и окислителя в теплоноситель с возможностью образования пузырька горючей смеси через отверстия и/или щели, образованные каждой парой трубок, расположенных, например, коаксиально. Трубки-ответвления объединены в отдельные блоки, заключенные в диэлектрические корпуса, и подсоединены к соответствующим трубопроводам. При этом трубки-ответвления имеют выход на активную поверхность упомянутого диэлектрического корпуса. Активная поверхность блока трубок-ответвлений представляет собой торцы трубок-ответвлений с примыкающей к ним поверхностью диэлектрического корпуса. Для электроискрового воспламенения (инициирования) пузырьков торцы топливных и окислительных трубок-ответвлений подсоединены к источнику напряжения и являются электродами. При этом теплоноситель в емкости заземлен и является другим электродом.

Кроме того, блоки трубок-ответвлений расположены таким образом, что их активные поверхности обращены друг к другу, т.е. активные поверхности блоков оппозитны. Кроме того, соответствующие пары трубок-ответвлений для подачи топлива и окислителя расположены коаксиально.

Поверхность диэлектрика и торцевые поверхности трубок-ответвлений являются активной поверхностью блока трубок-ответвлений, на которой происходят смешение топлива и окислителя, образование пузырьков, электрический пробой и сгорание горючей смеси в пузырьках с последующим расширением и отрывом от упомянутой поверхности и образованием вихревых потоков жидкости.

Таким образом, топливо (например, горючий газ) и окислитель вдувают в жидкость через множество трубок-ответвлений, одновременно выполняющих функции электродов (трубки-электроды), а инициирование горения пузырька с горючей смесью осуществляется на торце трубки-ответвления (электрода) электрическим разрядом. Синхронное инициирование горения в пузырьках достигается при помощи включения в электрическую цепь индуктивного контура и применения специальных электрических и геометрических параметров устройства в зависимости от каждой конкретной ситуации.

Инициирование горения горючей смеси осуществляется на торцах необходимого количества пар трубок-ответвлений электрическим разрядом.

Количество трубок-ответвлений определяется требуемой проектной мощностью теплогенератора.

Именно заявляемые конструктивные отличия, признаки устройства для нагревания жидкого теплоносителя позволяют реализовать заявляемый способ, тем самым обеспечивая достижение поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в повышении КПД и производительности.

Изобретение поясняется чертежом.

На фиг.1 представлена схема примера конкретного выполнения устройства.

Устройство содержит емкость 1 с теплоносителем 2, внутри которого размещены трубки-ответвления для топлива 3 и для окислителя - 4, объединенные по N пар в блоке 5, заключенные в диэлектрические корпуса 6, при этом данные трубки-ответвления имеют выход на активную поверхность 7 диэлектрического корпуса 6. Блоки трубок-ответвлений 3 и 4, для подачи топлива и окислителя соответственно, подсоединены к трубопроводу подачи топлива 8 и окислителя 9. Трубки-ответвления 3 и 4 (их торцы) являются однополярными электродами и подсоединены к источнику питания через индуктивность (L) 10 посредством проводника 11; 12 - заземление емкости 1 с теплоносителем 2. Затрубное пространство 13 (кольцевая щель) между трубками 3 и 4 служит для подачи топлива, а полость (отверстие) 14 трубки 4 - для подачи окислителя. Торец 15 трубки 3 и торец 16 трубки 4 являются составляющими активной поверхности 7 для инициирования пузырьков с горючей смесью 17.

В данном случае использовано коаксиальное расположение трубок-ответвлений. Т. е. устройство содержит каналы раздельной подачи топлива и окислителя, переходящие в трубки-ответвления с выходом в теплоноситель, выполненные таким образом, что обеспечивают возможность смешения вышеупомянутых компонентов на торцах пары трубок-ответвлений с образованием пузырьков с горючей смесью, удерживающихся на вышеупомянутых торцевых поверхностях в период выдувания пузырька с горючей смесью в жидкий теплоноситель до достижения последними проектно-заданных (критических) размеров. Каналы подачи топлива и окислителя вместе с трубками-ответвлениями подключены к источнику тока и являются однополярным электродом. Второй электрод подключен к емкости с теплоносителем. Трубки-ответвления объединены в блоки пар трубок-ответвлений и расположены в диэлектрических корпусах. Все пары трубок-ответвлений электроизолированы друг от друга на выходе из корпуса диэлектрика. Средство для смешения компонентов горючей смеси (топливо и окислитель) выполнено, например, в виде двух коаксиально расположенных на активной поверхности блока трубок-ответвлений, причем каждая пара трубок, посредством которых подают топливо и окислитель, отделена изолятором. Устройство работает следующим образом:

Топливо и окислитель по трубопроводам 8 и 9 в заданном соотношении парциальных давлений подают через отверстия 13 и 14 трубок-ответвлений 3 и 4 на активную поверхность 7 в теплоноситель 2. На торцах 15 и 16 трубок-ответвлений 3 и 4 получают пузырек 17 с горючей смесью. По достижении критических (заданных) размеров пузырьков 17 на трубки-ответвления 3 и 4 подают автоимпульсное напряжение в режиме электродинамической самосинхронизации при наличии индуктивного контура (L) 10. При этом каждый пузырек 17 находится под потенциалом U между блоком трубок-ответвлений 5 (торцевых поверхностей 15, 16 трубок-ответвлений 3, 4) и заземленным теплоносителем 2, например, через заземленную емкость 1.

В результате синхронного электроискрового пробоя внутри пузырьков 17 загорается горючая смесь. Каждый пузырек 17 в результате сгорания горючей смеси расширяется и отрывается от торцевых поверхностей 15, 16 трубок-ответвлений 3, 4 с некоторой скоростью, приобретая поступательное и вихревое движения внутри теплоносителя 2. В процессе движения пузырьков 17 происходит их дробление внутри теплоносителя 2, что существенно ускоряет передачу тепла от пузырьков теплоносителю.

Торец 15 трубки 3 и торец 16 трубки 4 являются составляющими активной поверхности 7 для инициирования пузырьков 17 с горючей смесью, образующихся путем смешения топлива и окислителя в момент выдувания последних одновременно через щелевое (кольцевое) отверстие 13 и полость (отверстие) 14 в теплоноситель 2. Каждая пара трубок-ответвлений 3 и 4 на активной поверхности 7 электроизолированы друг от друга. Активная поверхность каждого блока трубок-ответвлений одновременно является и коллектором, подающим одновременно и топливо и окислитель, и местом смешения последних с образованием пузырьков с горючей смесью, и синхронного поджигания пузырьков, и стартовой площадкой для горячих пузырьков в теплоносителе.

Для усиления эффекта отдачи тепла от горячих пузырьков теплоносителю активные поверхности 7 блоков 5 трубок-ответвлений 3, 4 располагают друг против друга так, чтобы при одновременном зажигании горючей смеси в пузырьках 17 каждая пара оппозитно расположенных активных поверхностей 7 блоков 5 трубок-ответвлений 3, 4 "выстреливает" горячие пузырьки друг в друга. В результате множества встречных столкновений горячих пузырьков в теплоносителе осуществляется дополнительное дробление последних и улучшается отдача тепла теплоносителю.

Количество трубок-ответвлений определяется требуемой проектной мощностью теплогенератора.

В процессе работы топливо и окислитель подают в теплоноситель раздельно через множество граничных отверстий, причем создают множество потоков через щелевые или другие отверстия в виде трубок-ответвлений различных конфигураций, размеров и взаимных расположений.

При этом смешение горючего и окислителя осуществляют в теплоносителе на торцах трубок-ответвлений, расположенных в диэлектрических корпусах различной конфигурации; причем поверхности диэлектрических корпусов с торцами трубок-ответвлений расположены таким образом, чтобы обеспечивать возможность интенсивного дробления горячих пузырьков.

Инициирование горючей смеси в пузырьке осуществляют электрическим разрядом между трубками-ответвлениями и заземленным теплоносителем, при этом создают условия генерирования напряжения самоиндукции в цепи трубки-ответвления и теплоноситель в результате электрогидродинамических процессов при расширении пузырьков при подаче на электроды постоянного или переменного напряжения.

Пузырьки зажигают многоочаговыми электрическими разрядами, генерируемыми на множественных концентраторах тока, для чего организуют (осуществляют) пробой электрическим током пузырьков с горючей смесью между электродом и жидким теплоносителем.

При этом создают условия циклического зарождения множества пузырьков с горючей смесью внутри жидкого теплоносителя, а также создают условия инициирования пробоев электрическим током пузырьков в режиме самосинхронизации электрогидравлических процессов при многоочаговых разрядах.

Пузырьки с горючей смесью зажигают в жидком теплоносителе на концентраторах электрического тока на границе энергетических порогов инициирования зажигания пузырьков в зависимости от состава газовых смесей, размеров пузырьков и электрической проводимости теплоносителя.

В заявляемых способе и устройстве нагрева жидкого теплоносителя реакция горения топлива локализована непосредственно в объеме жидкого теплоносителя, в газовых пузырьках, которые формируются на торцевых поверхностях, например, металлических трубок-ответвлений, имеющих определенную систему каналов и одновременно служащих в качестве трубопроводов для подачи перемешивания топлива и окислителя непосредственно в формирующихся пузырьках.

Инициирование горючей смеси в пузырьке осуществляют электрическим разрядом между трубками-ответвлениями и заземленным теплоносителем, при этом создают условия для генерирования напряжения самоиндукции в цепи трубки-ответвления и теплоноситель в результате электрогидродинамических процессов при расширении пузырьков.

Трубки-ответвления, жидкость, источник напряжения и индуктивность являются компонентами электрической цепи, в которой при перекрывании электродов (трубок-ответвлений) пузырьком с горючей смесью происходит формирование электрического разряда внутри пузырька между электродом и жидкостью, достаточного для инициирования горения горючей смеси. После сгорания смеси горячий пузырек в процессе коллапса приобретает поступательную скорость в направлении от трубки-ответвления вглубь теплоносителя, дробится на более мелкие пузырьки, которые движутся в теплоносителе в вихревых потоках жидкости, что обеспечивает ускоренное увеличение теплоотдачи от горячих пузырьков в жидкость. Оппозитное расположение электродов обеспечивает формирование встречных вихревых потоков с пузырьками, что ведет к более интенсивному перемешиванию жидкости и дополнительному отводу тепла от горячих пузырьков теплоносителю.

Таким образом, использование изобретений позволит существенно повысить производительность и КПД способа и устройства.

Применение изобретения позволит повысить эффективность теплопередачи за счет исключения промежуточных теплопередающих элементов путем непосредственного сжигания горючей смеси в пузырьках и достижения высокой мощности нагрева путем выдувания большого количества пузырьков за счет сжигания требуемого количества пузырьков, создания условий для их разрушения на более мелкие фрагменты при коллапсе, формирования разнонаправленных вихревых потоков жидкости-теплоносителя, взаимодействующих между собой и уносящих эти фрагменты в объем жидкости.

Заявляемое техническое решение не ограничено для проектных мощностей как снизу, так и сверху и позволяет создавать высокоэффективные тепловые генераторы разнообразного назначения.

Применение изобретения будет способствовать более рациональному использованю природных энергетических ресурсов для снижения тепловых потерь при передаче тепла жидкому теплоносителю в процессе сжигания горючих смесей.

1. Способ нагрева жидкого теплоносителя, включающий сжигание горючей смеси из топлива и окислителя в пузырьке и последующую подачу нагретого теплоносителя на реализацию, отличающийся тем, что топливо и окислитель подают раздельно, затем смешивают их непосредственно в теплоносителе с образованием пузырька с горючей смесью, причем создают множество пар потоков "топливо-окислитель", а образующиеся пузырьки с горючей смесью сжигают, для чего инициируют внутри пузырьков электрические пробои с последующей генерацией вихревых потоков жидкости с горячими пузырьками, при этом упомянутые пузырьки сжигают в пульсирующем (циклическом) режиме самосинхронизации зажигания выдуваемых пузырьков в моменты достижения ими критических (проектно заданных) размеров.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пузырьки зажигают электрическими разрядами в режиме электродинамической самосинхронизации, для чего генерируют последние на множественных концентраторах тока, используя для этого, например, электропроводящие торцы подводящих трубок-ответвлений.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что создают встречное синхронное движение горячих пузырьков.

4. Устройство для нагрева жидкого теплоносителя, включающее емкость с теплоносителем и устройство инициирования, отличающееся тем, что оно имеет не менее двух подводящих трубопроводов для обеспечения возможности раздельной подачи топлива и окислителя в теплоноситель, каждый трубопровод имеет трубки-ответвления, которые объединены попарно таким образом, что образуют каналы для раздельной подачи топлива и окислителя в теплоноситель с возможностью образования пузырька с горючей смесью через отверстия и/или щели, образованные каждой парой трубок, расположенных, например, коаксиально, трубки-ответвления объединены в отдельные блоки, заключенные в диэлектрические корпуса, и подсоединены к соответствующим трубопроводам, при этом трубки-ответвления имеют выход на активную поверхность упомянутого диэлектрического корпуса; активная поверхность блока трубок-ответвлений представляет собой торцы трубок-ответвлений с примыкающей к ним поверхностью диэлектрического корпуса.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что торцы трубок-ответвлений, подающих топливо и окислитель, подсоединены к источнику напряжения и являются электродами, при этом находящийся в емкости теплоноситель заземлен и является одним из электродов.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что блоки трубок-ответвлений расположены таким образом, что их активные поверхности обращены друг к другу, т.е. активные поверхности блоков оппозитны.

7. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что соответствующие пары трубок-ответвлений для подачи топлива и окислителя расположены коаксиально.