Патент на изобретение №2231002

(54) СПОСОБ НАГРЕВА ЖИДКИХ И ГАЗОВЫХ СРЕД

(57) Реферат:

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к способам получения тепла, образующегося иначе, чем в результате сгорания топлива. Задачей данного изобретения является создание экономически эффективного способа нагрева жидких и газовых сред. Задача осуществляется посредством формирования в циркулирующей массе рабочей стоячей волны высокочастотных акустических колебаний и настройки ее через акустический фильтр на рабочий резонансный обертон fj основной частоты fo характеристических нормальных колебаний молекулы теплоносителя. 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к способам получения тепла, образующегося иначе, чем в результате сгорания топлива.

Известны способы и технические средства преобразования механической, электрической и других форм энергии в тепловую энергию материальной среды (вещества). При этом уровень термического состояния любого вещества определяется кинетической энергией составляющих его частиц – молекул, которые, в свою очередь, характеризуются многообразием форм движения: поступательного, колебательного и вращательного.

Известен способ нагревания жидкости, включающий подачу жидкости по напорному трубопроводу с образованием волнового движения в виде пучности и разрежения в продольном направлении, затем производят гашение волн посредством формирования противофазного совмещения пучностей и разрежении, а затем производят разделение потоков и их закручивание в сторону вращения потока в вихревой трубе. После закручивания потоков производят его разрежение с образованием организованной акустической кавитации через инжекционный патрубок и последующее ускорение в улитках с последующим торможением и возникновением дополнительной акустической кавитации и совмещение потока в коллекторе. Далее часть потока может отбираться потребителю, а другая часть может многоразово повторять весь цикл нагрева. См. описание к патенту RU №2132517, опубл. 27.06.99. Бюл. №18.

Недостатком этого способа является применение его для нагрева только жидких сред и неприемлемость для газовых сред. Реализация его возможна при сочетании многих отдельных узлов, и поэтому установки, изготавливаемые по этому способу, будут дороги для потребителя.

Известен способ получения тепла путем подачи воды в вихревой теплогенератор, формирования теплового потока воды в нем и обеспечение кавитационного режима течения вихревого потока при резонансном усилении возникающих в этом потоке звуковых колебаний, с последующим отводом получаемого в вихревом генераторе тепла от выходящего потока воды к потребителю. При этом температура предварительно нагретой воды, подаваемой в вихревой теплогенератор, составляет 63-90С. Обеспечение кавитационного режима течения вихревого потока в вихревом генераторе при резонансном усилении возникающих в этом потоке звуковых колебаний достигается путем подбора скорости вращения насоса или длиной столба воды перед фильерой или напором воды, подаваемой в теплогенератор, или длиной столба воды в вихревой трубе вихревого теплогенератора. См. описание к патенту RU №2165054, опубл. 10.04.2001.

Недостатком этого способа также является применение его для нагрева только жидких сред и неприемлемость для газовых сред. Реализация его возможна при сочетании многих отдельных узлов, и поэтому установки, изготавливаемые по этому способу, будут дороги для потребителя.

Задачей данного изобретения является создание простого способа для нагрева не только жидких, но и газовых сред, а также снижение затрат на изготовление реализующих его устройств.

Техническим результатом является создание экономически эффективного способа и расширение функциональных возможностей его применения.

Поставленная задача нагрева жидких и газовых сред осуществляется посредством формирования в циркулирующей массе рабочей стоячей волны высокочастотных акустических колебаний и настройки ее через акустический фильтр на рабочий резонансный обертон fј основной частоты fо характеристических нормальных колебаний молекулы теплоносителя.

На фиг.1 изображена принципиальная схема реализации данного способа.

На фиг.2 приведены частотные номограммы.

На практике способ нагрева жидких и газовых сред осуществляется посредством формирования рабочей стоячей волны акустических колебаний и настройки ее через акустический фильтр на рабочий резонансный обертон fj основной частоты fo характеристических нормальных колебаний молекулы теплоносителя. Далее, из зоны акустической генерации поток теплоносителя, пройдя первый контур теплообмена и далее – через источник акустических колебаний и акустический фильтр, формирования рабочей стоячей волны акустических колебаний, возвращается для повторных циклов многократного нагрева циркулирующей массы.

Из области молекулярной спектроскопии известно, что совокупность всех колебаний атомов по степеням свободы (связям) в молекуле проявляется в форме так называемых “нормальных” (характеристических) колебаний молекулы в целом. Это гармонические колебания ядер относительно их равновесного положения с определенной для каждого fj вещества частотой fо.

На фиг.1 представлена принципиальная схема реализации способа нагрева теплоносителя, в качестве которого, для примера, выбрана вода, занимающая весь внутренний объем, условно показанный на фиг.1.

Сверху на волноводе 1, который выполнен в виде трубы, расположен источник 2 акустических колебаний Vo, контактирующий с водной средой объема. Снизу на противоположной стороне волновода 1 находится диск-отражатель 3, которым регулируется кольцевой щелевой зазор . Все эти элементы образуют высокочастотный акустический фильтр, обеспечивающий формирование стоячей акустической волны, а кольцевой щелевой зазор _i выдает расчетные рабочие обертоны i для резонансного возбуждения fo через ее обертоны fj.

В качестве источника акустических колебаний может быть использован не только обычный ультразвуковой генератор, как показано на фиг.1, но также и другие устройства, такие как серийный электронасос – для жидких сред и вентилятор – для газовых сред. В последних случаях эти устройства, реализующие предлагаемый способ, обладают двумя функциями: первая – они являются источниками акустических колебаний и вторая – являются движителями теплоносителей, обеспечивая при этом и нагрев теплоносителя, и циркуляцию массы по замкнутому гидроконтуру для многократной “тепловой обработки” в активной зоне акустического фильтра. Причем по схеме, представленной на фиг.1, перемешивание, а следовательно, и перемещение массы теплоносителя производится способом вращения диска-отражателя.

На фиг.2 приведены частотные номограммы для практического выбора рабочих обертонов i основных частот акустических o (фононов), близко сопряженных к значениям обертонам j основной частоты fo нормальных колебаний молекулы теплоносителя (на примере воды).

На оси абсцисс (см. фиг.2) обозначены номера i и j обертонов, каждый из которых соответствует определенной длине волны _ij=jo/2^ij (условно), где i, j=0, 1, 2, 3, … . Кривая а дает распределение основной частоты fo по своим первым обертонам j. Аналогично построена кривая б для электронасоса, используемого в схеме способа. Сопоставление кривых а и б позволяет по кривой в выбрать размер рабочего щелевого зазора акустического фильтра. Так, например, для обертонов ₇=f3=3 кГц потребуется рабочий щелевой зазор =5 см и т.п.

При конструировании устройства для нагрева теплоносителя, в качестве которого могут быть выбраны подвижные среды, а именно жидкие и газовые среды, необходимо провести расчеты геометрических параметров акустического фильтра – его длины L, диаметра и щелевого зазора по исходным данным конкретно выбранного источника формирования рабочей стоячей волны акустических колебаний (например, для электронасоса число оборотов в секунду и конкретные конструктивные его характеристики, например, число лопастей), а также с учетом выбора “рабочего” обертона fj, j=1, 2, 3 … основной частоты fo “нормальных” колебаний молекулы.

В качестве источников акустических колебаний, технические параметры которых позволяют обеспечить резонансное возбуждение молекул рабочей среды, могут быть использованы известные устройства гидродинамических и газоструйных ультразвуковых генераторов. Периодические упругие возмущения рабочей среды, создаваемые УЗ-генераторами, обеспечивают порционное поглощение молекулой среды энергии акустических колебаний (резонансное поглощение) с последующим, как отмечалось выше, электромагнитным излучением в ИК-диапазоне. Таким образом, индуцированное тепловое излучение возникает в среде в результате воздействия на молекулы этой же среды резонансных, так называемых ультразвуковых фононов hi, характеризуемых по величине, близкой к характеристической частоте молекулы вещества.

Для определенности, выбрав, например, воду в качестве теплоносителя, потребуется использование источника акустических колебаний с частотой o, близкой или равной по величине частоте “нормальных” колебаний молекулы воды fo=3,6-3,75 кГц, либо обеспечить резонансное возбуждение молекул теплоносителя через сопряженные по величине высокочастотные обертоны i и f_i с помощью акустической фильтрации (см. фиг.2).

Предлагается способ резонансного возбуждения молекул теплоносителя (жидкости, газа) с помощью акустических фононов от ультразвукового (звукового) источника их генерации. Основная частота Vo источника (или ее обертонов) должна быть при этом либо равна, либо близка к основной частоте fo характеристических колебаний молекул теплоносителя (или к ее высокочастотным обертонам).

Формула изобретения

Способ нагрева жидких и газовых сред, включающий нагрев циркулирующей массы, отличающийся тем, что нагрев осуществляют посредством формирования в циркулирующей массе рабочей стоячей волны высокочастотных акустических колебаний и настройки ее через акустический фильтр на рабочий резонансный обертон fј основной частоты f_о характеристических нормальных колебаний молекулы теплоносителя.

РИСУНКИ