RU2114326C1

RU2114326C1 - Method for converting fluid jet energy to heat in fluidic installation

Info

Publication number: RU2114326C1
Application number: RU96124570A
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Фисенко
Original assignee: Владимир Владимирович Фисенко
Priority date: 1996-12-30
Filing date: 1996-12-30
Publication date: 1998-06-27

Abstract

FIELD: heating pumped media. SUBSTANCE: supersonic flow is organized in two-phase current and then the latter is dragged to induce pressure impact in it so that two- phase flow turns in pressure impact to liquid current with microscopic steam and gas bubbles and with liquid heated in the course of stepped conversion of two-phase flow into liquid flow. EFFECT: improved efficiency of current energy utilization. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области струйной техники, преимущественно к струйным и насосноэжекторным установкам, которые могут быть использованы для нагрева перекачиваемой среды с одновременной организацией ее транспортировки или циркуляции. The invention relates to the field of inkjet technology, mainly to jet and pump-ejector installations, which can be used to heat the pumped medium with the simultaneous organization of its transportation or circulation.

Известен способ преобразования энергии потока в тепловую энергию путем преобразования кинетической энергии потока в тепловую за счет трения жидкости о стенки профилированного канала (SU, авт. св. 631761, кл F 25 B 29/00, 1978). A known method of converting the flow energy into thermal energy by converting the kinetic energy of the flow into heat due to friction of the liquid against the walls of the shaped channel (SU, ed. St. 631761, class F 25 B 29/00, 1978).

В данном способе, путем прокачки жидкости через специальным образом спрофилированные каналы добиваются нагрева жидкости. Однако в этом способе не удается эффективно преобразовывать энергию механическую в энергию тепловую, что ведет к недостаточно высокому КПД преобразования и, как следствие, к отсутствию широкого использования установок, основанных на данном способе. In this method, by pumping the liquid through a special way, the profiled channels achieve heating of the liquid. However, in this method, it is not possible to efficiently convert mechanical energy into thermal energy, which leads to an insufficiently high conversion efficiency and, as a result, to the lack of widespread use of installations based on this method.

Известен и другой способ преобразования в струйной установке энергии потока в тепловую энергию, включающий преобразование однофазного жидкостного потока в двухфазный и последующее обратное преобразование потока в однофазный путем торможения потока с повышением давления в нем сопровождаемым ростом температуры жидкостного потока (Петров В.И., Чебаевский В.Ф. Кавитация в высокооборотных лопастных насосах. - М: Машиностроение, 1982, с.5). Another method is known for converting stream energy into thermal energy in a jet installation, including converting a single-phase liquid stream into two-phase and subsequent reverse converting the stream into single-phase by braking the stream with increasing pressure in it accompanied by an increase in the temperature of the liquid stream (Petrov V.I., Chebaevsky V .F. Cavitation in high-speed vane pumps. - M: Mashinostroenie, 1982, p.5).

Данный способ преобразования является наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату. В данном способе преобразования энергии нагрев жидкости осуществляется за счет интенсивного сжатия парогазовых кавитационных каверн при повышении давления в потоке, сопровождающегося "термодинамическим" нагревом сжимаемого газа и от последнего жидкости, как источника переноса тепла. Однако интенсивность перехода двухфазного потока в однофазный, проходящего, как правило, в плавно расширяющихся каналах недостаточно велика, в связи в чем имеют место разного рода потери и неполнота использования внутренней энергии перехода однофазного потока в двухфазный и обратно, что значительно снижает эффект нагрева жидкости. This conversion method is the closest to the invention in terms of technical nature and the achieved result. In this method of energy conversion, the heating of the liquid is carried out due to the intense compression of the vapor-gas cavitation cavities with increasing pressure in the flow, accompanied by "thermodynamic" heating of the compressible gas and from the latter liquid as a heat transfer source. However, the intensity of the transition of a two-phase flow into a single-phase flow passing, as a rule, in smoothly expanding channels is not large enough, and therefore there are various kinds of losses and incomplete use of the internal energy of the transition of a single-phase flow into a two-phase flow and vice versa, which significantly reduces the effect of heating the liquid.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности использования энергии потока при преобразовании его энергии в тепловую энергию нагрева перекачиваемой жидкости. The problem to which the present invention is directed, is to increase the efficiency of using the energy of the stream when converting its energy into thermal energy of heating the pumped liquid.

Указанная задача достигается тем, что в способе преобразования в струйной установке энергии потока в тепловую энергию, включающем преобразование однофазного жидкостного потока в двухфазный и последующее обратное преобразование потока в однофазный путем торможения потока с повышением давления в нем, сопровождаемым ростом температуры жидкостного потока, двухфазный поток разгоняют до организации сверхзвукового режима течения двухфазного потока, а далее, путем торможения потока, организуют скачок давления с резким переходом в скачке давления двухфазного потока в практически однофазный с выделением за счет такой организации процесса преобразования двухфазного потока в однофазный дополнительного теплового импульса. Дальнейший рост теплового импульса может быть достигнут за счет того, что жидкость, которую используют для получения тепла, предварительно дегазируют. This problem is achieved by the fact that in the method of converting stream energy into heat energy in a jet installation, which includes converting a single-phase liquid stream into two-phase and subsequent reverse converting the stream into single-phase by braking the stream with increasing pressure in it, accompanied by an increase in the temperature of the liquid stream, the two-phase stream is accelerated before the supersonic flow regime of the two-phase flow is organized, and then, by braking the flow, a pressure jump is organized with a sharp transition in the jump detecting two-phase flow in substantially a single phase with separation due to such organization of the conversion process in a single-phase two-phase flow of additional thermal pulse. A further increase in the thermal momentum can be achieved due to the fact that the liquid used to produce heat is previously degassed.

Как известно из закона сохранения энергии для потока жидкости, в котором начало координат непрерывно совпадает с центом тяжести движущегося элемента жидкости и, следовательно, последний неподвижен относительно системы координат, следует (для 1 кг жидкости)
dg = di - vdp + dg_тр, (1)
где
g - общее количество тепла или полная энергия элемента жидкости;
i - энтальпия элемента жидкости;
v - объем элемента жидкости;
p - давление в потоке жидкости;
g_тр - энергия трения элемента жидкости.As is known from the energy conservation law for a fluid flow, in which the coordinate origin continuously coincides with the center of gravity of the moving fluid element and, therefore, the latter is stationary relative to the coordinate system, it follows (for 1 kg of fluid)
dg = di - vdp + dg _mp , (1)
Where
g is the total amount of heat or the total energy of the liquid element;
i is the enthalpy of the fluid element;
v is the volume of the fluid element;
p is the pressure in the fluid stream;
g _Tr - the friction energy of the fluid element.

Учитывая, что di = du + d(pv), (2)
где
u - внутренняя энергия элемента жидкости, а

где
k - показатель изоэнтропы сжимаемой жидкости, общее количество тепла, которое может быть получено в адиабатно изолированной системе может быть представлено в следующем виде:

В случае, если поток чисто жидкостной k _→ ∞ (реально для воды k ≅ 22000, а dv= 0
dq = dq_тр
Именно это мы и наблюдаем в техническом решении по авт.св. СССР N 631761.Given that di = du + d (pv), (2)
Where
u is the internal energy of the liquid element, and

Where
k is the isentropic index of the compressible fluid, the total amount of heat that can be obtained in an adiabatically isolated system can be represented as follows:

If the flow is purely liquid k _ → ∞ (real for water k ≅ 22000, and dv = 0
dq = dq _mp
This is exactly what we observe in the technical solution for Auth. USSR N 631761.

Иначе обстоит дело в потоке однородной двухфазной смеси, которая с газодинамической точки зрения является средой сжимаемой и даже более сжимаемой, чем чистый газ и показатель изоэнтропы в ней является функцией показателя изоэнтропы газа и объемного соотношении фаз в смеси (Фисенко В.В. Критические двухфазные потоки. -М: Атомиздат, 1978) и в зависимости от объемного соотношения фаз ( для воды), при обычных условиях коэффициент изоэнтропы будет меняться от k= 22000 (жидкостной поток) до k = 1,285 (газовый поток) (фиг.3). The situation is different in the flow of a homogeneous two-phase mixture, which from a gasdynamic point of view is a compressible and even more compressible medium than pure gas and the isoentropic index in it is a function of the isoentropic gas and the volumetric phase ratio in the mixture (Fisenko V.V. Critical two-phase flows .-M: Atomizdat, 1978) and depending on the volumetric phase ratio (for water), under normal conditions, the isentropic coefficient will vary from k = 22000 (liquid stream) to k = 1.285 (gas stream) (Fig. 3).

Таким образом, принимая во внимание вышесказанное и уравнение (4) можно видеть, что от величины k будет зависеть количество тепла, которое может быть получено в двухфазной системе. В связи с этим понятно увеличение получаемого тепла при переходе потока из однофазного жидкостного в двухфазный и обратно, что и наблюдается в техническом решении наиболее близком к описываемому изобретению. Thus, taking into account the above and equation (4), it can be seen that the amount of heat that can be obtained in a two-phase system will depend on k. In this regard, it is clear that the increase in heat generated during the transition of the flow from a single-phase liquid to a two-phase and vice versa, which is observed in the technical solution closest to the described invention.

Однако, как показали проведенные исследования, существенное значение имеет механизм перехода в двухфазное состояние, механизм течения в двухфазном состоянии и механизм перехода к однофазному состоянию. Существенное значение также имеет однородность полученного двухфазного потока, что достигается за счет того, что в процессе преобразования однофазного потока в двухфазный последний разгоняется до сверхзвуковой скорости, причем разгон до сверхзвуковой скорости позволяет в более широком диапазоне варьировать газосодержание потока при меньших энергетических затратах. Не менее важное значение для повышения эффективности тепловыделения имеет процесс торможения потока с переходом потока в практически однофазный или, что более точно, в жидкостной поток с микроскопическими парогазовыми пузырьками. However, as the studies showed, the mechanism of transition to a two-phase state, the flow mechanism in a two-phase state, and the mechanism of transition to a single-phase state are essential. The homogeneity of the obtained two-phase flow is also important, which is achieved due to the fact that during the conversion of a single-phase stream to a two-phase, the latter accelerates to supersonic speed, and acceleration to supersonic speed allows a wider range to vary the gas content of the stream at lower energy costs. No less important to increase the efficiency of heat release is the process of inhibition of the flow with the transition of the flow into almost single-phase or, more precisely, into a liquid flow with microscopic vapor-gas bubbles.

В процессе торможения в двухфазном потоке организуют скачок давления со снижением скорости до дозвукового значения. Пропорционально росту давления увеличивается количество жидкой фазы, причем резкий рост давления (скачкообразный рост) приводит к структурной перестройке в жидкости, что способствует выделению большего количества тепла по сравнению с наиболее близким аналогом. Дальнейшее выделение тепла будет происходить в основном в тепловыделяющем устройстве, например батарее водяного отопления, по мере того, как в жидкостном потоке будут схлопываться микроскопические парогазовые пузырьки, за счет дополнительного торможения потока. During braking in a two-phase flow, a pressure jump is organized with a decrease in speed to a subsonic value. In proportion to the increase in pressure, the amount of the liquid phase increases, and a sharp increase in pressure (spasmodic growth) leads to structural rearrangement in the liquid, which contributes to the release of more heat in comparison with the closest analogue. Further heat generation will occur mainly in a heat-generating device, for example, a water heating battery, as microscopic vapor-gas bubbles collapse in the liquid flow due to additional flow inhibition.

Следует также отметить, что возможна различная организация первого этапа преобразования, а именно этапа преобразования жидкости в двухфазный поток, так как такое преобразование можно провести путем электролиза, когда газовая фаза в потоке жидкости возникает в результате воздействия на него электричества, можно использовать химические свойства жидкости по выделению газовой фазы, возможно тепловое воздействие на поток жидкости и возможно, как описано выше, геометрическое воздействие на поток, когда организуют течение потока жидкости в строго спрофилированном канале, что позволяет заранее заданным образом менять давление в потоке и скорость потока. В этом случае целесообразно проводить преобразование жидкостного потока в двухфазный в сужении, выполненном в виде перфорированной пластины (решетки) с заранее рассчитанными числом отверстий и проходным сечением этих отверстий. It should also be noted that a different organization of the first stage of the conversion is possible, namely, the stage of converting a liquid into a two-phase stream, since such a conversion can be carried out by electrolysis, when the gas phase in a liquid stream arises as a result of exposure to electricity, it is possible to use the chemical properties of the liquid by the evolution of the gas phase, a thermal effect on the liquid flow is possible, and, as described above, a geometric effect on the flow is possible when the flow of liquid in strictly profiled channel, which allows a predetermined way to change the pressure in the stream and the flow rate. In this case, it is advisable to convert the liquid flow into two-phase in the narrowing, made in the form of a perforated plate (lattice) with a pre-calculated number of holes and the bore of these holes.

Таким образом, описываемый способ преобразования энергии потока в тепловую энергию позволяет добиться выполнения поставленной задачи - увеличение нагрева жидкости без увеличения подведенной энергии, т.е. повысить эффективность преобразования энергии. Thus, the described method of converting the flow energy into thermal energy makes it possible to achieve the stated task — increasing the heating of the liquid without increasing the supplied energy, i.e. increase energy conversion efficiency.

На фиг. 1 показана принципиальная схема установки, в которой может быть реализован описываемый способ преобразования энергии, на фиг.2 представлено схематически одно из струйных устройств, в котором можно производить описанные выше преобразования жидкостного потока с показанными ниже графиками изменения давления (P), скорости (W), и газосодержания β потока вдоль струйного устройства, на фиг.3 представлена зависимость изменения коэффициента изоэнтропы от изменения газосодержания ( β_* ) потока и на фиг. 4 представлена зависимость изменения коэффициента A в зависимости от изменения коэффициента изоэнтропы.In FIG. 1 shows a schematic diagram of an installation in which the described method of energy conversion can be implemented; FIG. 2 shows schematically one of the inkjet devices in which it is possible to carry out the above-described liquid flow conversions with the graphs of pressure (P) and speed (W) shown below , and the gas content of β flow along the inkjet device, Fig. 3 shows the dependence of the change in isentropic coefficient on the change in gas content (β _* ) of the flow and in Fig. Figure 4 shows the dependence of the change in coefficient A depending on the change in the coefficient of isentropic.

Струйная установка для реализации описываемого способа преобразования содержит насос 1, подключенный выходом к струйному устройству - генератору тепла 2, которое своим выходом подключено к тепловыделяющему устройству 3, например батарее водяного отопления какого-либо помещения. Тепловыделяющее устройство 3 в свою очередь подключено к входу насоса 1 и к струйному устройству 2. An inkjet installation for implementing the described conversion method comprises a pump 1 connected by an output to an inkjet device — a heat generator 2, which is connected by its output to a heat-generating device 3, for example, a water heating battery of a room. The fuel device 3, in turn, is connected to the input of the pump 1 and to the jet device 2.

Установка, в которой реализован описываемый способ преобразования энергии, работает следующим образом. Installation, which implements the described method of energy conversion, works as follows.

Насос 1 подает жидкость в струйное устройство - генератор тепла 2. Поступив в генератор тепла 2, жидкостной поток между сечениями I и II (фиг.2), протекая через сужение, разгоняется. При этом давление в потоке падает. В сечении II (минимальное сечение) поток достигает максимальной скорости и, соответственно, давление в нем достигает своего минимального значения, причем величина давления становится ниже давления насыщенных паров жидкости, в результате чего жидкостной поток преобразуется в двухфазный поток. Далее между сечениями II и III в результате роста объемного газосодержания в двухфазном потоке и за счет этого поддержания абсолютной величины скорости постоянной сначала формируют сверхзвуковой режим течения с образованием однородного двухфазного потока, а далее, по мере движения двухфазного потока в расширяющемся канале, понижают скорость звука в потоке до величины, при которой формируют в потоке скачок давления. Этот процесс происходит вблизи сечения III. Как результат двухфазный поток преобразуется в практически однородный жидкостной поток с микроскопическими парогазовыми пузырьками. В результате резкого схлопывания в скачке давления парогазовых пузырей двухфазного потока, сопровождаемого быстрым ростом давления сжатия парогаза достигающего нескольких тысяч атмосфер, в последних происходит реструктуризация молекулярных связей вещества или веществ, образующих жидкостной поток, что вызывает высвобождение энергии межмолекулярных связей, выражающееся в нагреве жидкости, образующей жидкостной поток после сечения III. Поскольку в струйное устройство - генератор тепла 2 жидкость постоянно подается, то последний непрерывно генерирует тепло, причем за счет схлопывания микроскопических пузырьков жидкостного потока в тепловыделяющем устройстве 3 достигается дополнительный нагрев жидкости. Из тепловыделяющего устройства 3 жидкость может направляться, в зависимости от требований по величине ее нагрева, либо в насос 1, либо сразу в генератор тепла 2, либо частично и в насос 1 и в струйное устройство - генератор тепла 2 одновременно. Pump 1 delivers liquid to the jet device - heat generator 2. Having entered the heat generator 2, the liquid flow between sections I and II (figure 2), flowing through the narrowing, accelerates. In this case, the pressure in the flow drops. In section II (minimum cross-section), the flow reaches its maximum speed and, accordingly, the pressure in it reaches its minimum value, the pressure becoming lower than the pressure of saturated vapor of the liquid, as a result of which the liquid stream is converted into a two-phase stream. Then, between sections II and III, as a result of the increase in the volumetric gas content in the two-phase flow and due to this maintenance of the absolute value of the constant velocity, the supersonic flow regime is first formed with the formation of a homogeneous two-phase flow, and then, as the two-phase flow moves in the expanding channel, they reduce the speed of sound in flow to a value at which a pressure jump is formed in the flow. This process occurs near section III. As a result, a two-phase flow is converted into an almost uniform liquid flow with microscopic vapor-gas bubbles. As a result of a sharp collapse in the pressure jump of gas-vapor bubbles of a two-phase flow, accompanied by a rapid increase in the compression pressure of the gas vapor reaching several thousand atmospheres, the molecular bonds of the substance or substances forming the liquid flow are restructured in the latter, which causes the release of intermolecular bond energy, which is expressed in heating of the liquid forming fluid flow after section III. Since the liquid is constantly supplied to the jet device — heat generator 2, the latter continuously generates heat, and due to the collapse of microscopic bubbles of the liquid flow in the fuel device 3, additional heating of the liquid is achieved. Depending on the requirements for the amount of heating, the liquid can be directed from the fuel device 3 either to the pump 1, or directly to the heat generator 2, or partially to the pump 1 and to the jet device — the heat generator 2 at the same time.

Возвращаясь к формуле 4, можно заметить, что эффективность работы струйного устройства - генератора тепла 2 тем больше, чем меньше показатель изоэнтропы однородной двухфазной смеси. Последний, в свою очередь, при прочих равных условиях тем меньше, чем меньше показатель изоэнтропы газа, входящего в состав двухфазной среды. Отсюда следует, что эффект выделения тепла тем больше, чем больше атомов в молекуле вещества, которое служит источником получения тепла. Одним из методов, который может позволить добиться этого, может быть предварительная дегазация жидкости, которая используется для получения тепла. Покажем это на примере воды. Молекула воды состоит из трех атомов, в то время как почти все газы, растворенные в воде, являются двухатомными (в основном это азот и кислород воздуха). Поэтому, если предварительно дегазировать воду, то при переводе воды из жидкого состояния в двухфазное пузырьки будут заполнены в основном парами воды, т.е. трехатомным газом, что и позволяет получить большее количество тепла. Returning to formula 4, we can see that the efficiency of the inkjet device - the heat generator 2 is greater, the lower the isentropic index of a homogeneous two-phase mixture. The latter, in turn, ceteris paribus, the smaller, the lower the index of the isentropic gas, which is part of a two-phase medium. It follows that the effect of heat generation is greater, the more atoms in the molecule of the substance, which serves as a source of heat. One of the methods that can achieve this may be the preliminary degassing of the liquid, which is used to generate heat. We show this by the example of water. A water molecule consists of three atoms, while almost all the gases dissolved in water are diatomic (mainly nitrogen and oxygen). Therefore, if water is previously degassed, then when the water is transferred from a liquid state to a two-phase, the bubbles will be filled mainly with water vapor, i.e. triatomic gas, which allows you to get more heat.

Как показали проведенные исследования, максимальное, теоретически достижимое, относительное увеличение получения тепла в генераторе тепла 2 будет равно

где
Q - количество получаемого тепла;
N_e - подведенная электрическая мощность электродвигателя насоса;
η - гидравлический КПД насоса;
A - экспериментально полученный коэффициент.As the studies showed, the maximum, theoretically achievable, the relative increase in heat production in the heat generator 2 will be equal

Where
Q is the amount of heat received;
N _e is the summed electric power of the pump motor;
η is the hydraulic efficiency of the pump;
A is the experimentally obtained coefficient.

На фиг.4 в качестве примера приведена зависимость величины коэффициента A от показателя изоэнтропы двухфазной смеси k для воды (кривая 1), для жидкости с числом атомов в молекуле равном 22 (кривая 2) и для двухфазной смеси с пузырьками, заполненными в основном двухатомным газом. Из данного графика видно, что подбором жидкости, циркулирующей через генератор тепла 2, и дегазацией жидкости можно увеличить количество получаемого в установке тепла. Figure 4 shows, by way of example, the dependence of the coefficient A on the isentropic exponent of a two-phase mixture k for water (curve 1), for a liquid with the number of atoms in the molecule equal to 22 (curve 2), and for a two-phase mixture with bubbles filled mainly with diatomic gas . From this graph it can be seen that the selection of the fluid circulating through the heat generator 2, and the degassing of the fluid can increase the amount of heat received in the installation.

Данное изобретение может быть использовано в автономных тепловыделяющих установках для отопления помещений различного назначения, где отсутствует централизованное отопление зданий, а также для получения горячей воды для бытовых и технических целей. This invention can be used in autonomous fuel plants for heating rooms for various purposes, where there is no centralized heating of buildings, as well as for hot water for domestic and technical purposes.

Claims

1. A method of converting liquid stream energy into thermal energy in a jet installation, comprising converting a single-phase liquid stream into two-phase and then reversing the conversion of the stream into single-phase by braking the stream with increasing pressure in it, accompanied by an increase in the temperature of the liquid stream, characterized in that in a two-phase stream form a supersonic mode of its flow, and then the two-phase flow is slowed down with the formation of a pressure jump in it with the transition in the jump of the two-phase flow into liquid sweat ok with microscopic vapor-gas bubbles and heating of the liquid in the process of spasmodic conversion of a two-phase flow into a liquid.

2. The method according to p. 1, characterized in that they organize the collapse of microscopic bubbles in the fuel device by additionally inhibiting the liquid flow in it with the release of this additional amount of heat.

3. The method according to p. 1, characterized in that the liquid is degassed or deaerated before it is converted into a two-phase flow.