RU2231002C2

RU2231002C2 - Method of heating liquid and gaseous media

Info

Publication number: RU2231002C2
Application number: RU2002123993/06A
Authority: RU
Inventors: Е.Н. Гагин (RU); Е.Н. Гагин
Original assignee: Гагин Евгений Николаевич
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2004-06-20

Abstract

FIELD: heat engineering.

SUBSTANCE: proposed method includes forming standing wave of high frequency acoustic vibrations in circulating mass and tuning this wave through acoustic filter at working resonance overtone fj of main frequency of performance normal vibrations of molecule of heat-transfer agent.

EFFECT: enhanced economical efficiency.

2 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к способам получения тепла, образующегося иначе, чем в результате сгорания топлива.The invention relates to heat engineering, in particular to methods for producing heat generated differently than as a result of fuel combustion.

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.Known methods and technical means of converting mechanical, electrical and other forms of energy into thermal energy of a material medium (substance). Moreover, the level of the thermal state of any substance is determined by the kinetic energy of its constituent particles - molecules, which, in turn, are characterized by a variety of forms of motion: translational, oscillatory and rotational.

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.A known method of heating a fluid, comprising supplying fluid through a pressure pipe with the formation of a wave motion in the form of antinodes and rarefaction in the longitudinal direction, then dampen the waves by forming antiphase alignment of the antinodes and rarefaction, and then separate the flows and twist them in the direction of rotation of the stream in a vortex the pipe. After swirling the flows, it is rarefied with the formation of organized acoustic cavitation through the injection pipe and subsequent acceleration in the cochlea, followed by braking and the occurrence of additional acoustic cavitation and flow matching in the collector. Further, part of the flow can be selected by the consumer, and the other part can repeatedly repeat the entire heating cycle. See the description of patent RU No. 2132517, publ. 06/27/99. Bull. Number 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.The disadvantage of this method is its use for heating only liquid media and unacceptability for gaseous media. Its implementation is possible with a combination of many individual units, and therefore installations manufactured by this method will be expensive for the consumer.

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 63-90°С. 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.A known method of generating heat by supplying water to a vortex heat generator, forming a heat flow of water in it and providing a cavitation mode of the vortex flow during resonant amplification of sound vibrations arising in this flow, with subsequent removal of heat received in the vortex generator from the outgoing water flow to the consumer. The temperature of the pre-heated water supplied to the vortex heat generator is 63-90 ° C. Ensuring the cavitation regime of the vortex flow in a vortex generator with resonant amplification of sound vibrations arising in this flow is achieved by selecting the pump rotation speed or the length of the water column in front of the die or the pressure of the water supplied to the heat generator or the length of the water column in the vortex tube of the vortex heat generator. See the description of patent RU No. 2165054, publ. 04/10/2001.

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.The disadvantage of this method is its use for heating only liquid media and unacceptability for gaseous media. Its implementation is possible with a combination of many individual units, and therefore installations manufactured by this method will be expensive for the consumer.

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.The objective of the invention is to provide a simple method for heating not only liquid but also gaseous media, as well as reducing the cost of manufacturing devices that implement it.

Техническим результатом является создание экономически эффективного способа и расширение функциональных возможностей его применения.The technical result is the creation of a cost-effective method and the expansion of the functionality of its application.

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.The stated task of heating liquid and gas media is carried out by generating high-frequency acoustic waves in the circulating mass of the working standing wave and tuning them through an acoustic filter to the working resonant overtone fј of the fundamental frequency fo of the characteristic normal vibrations of the coolant molecule.

На фиг.1 изображена принципиальная схема реализации данного способа.Figure 1 shows a schematic diagram of the implementation of this method.

На фиг.2 приведены частотные номограммы.Figure 2 shows the frequency nomograms.

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.In practice, the method of heating liquid and gas media is carried out by generating a working standing wave of acoustic vibrations and tuning it through an acoustic filter to a working resonant overtone fj of the fundamental frequency fo of the characteristic normal vibrations of the coolant molecule. Further, from the zone of acoustic generation, the coolant flow, passing the first heat transfer circuit and then through the source of acoustic vibrations and an acoustic filter, forming a working standing wave of acoustic vibrations, returns for repeated cycles of repeated heating of the circulating mass.

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.From the field of molecular spectroscopy it is known that the totality of all atomic vibrations in degrees of freedom (bonds) in a molecule appears in the form of the so-called “normal” (characteristic) vibrations of the molecule as a whole. These are harmonic vibrations of nuclei relative to their equilibrium position with a frequency fо defined for each fj substance.

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.Figure 1 presents a schematic diagram of an implementation of a method for heating a coolant, for which, for example, selected water, occupying the entire internal volume, conventionally shown in figure 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 Δ. Все эти элементы образуют высокочастотный акустический фильтр, обеспечивающий формирование стоячей акустической волны, а кольцевой щелевой зазор Δ_i выдает расчетные рабочие обертоны ν≥i для резонансного возбуждения fo через ее обертоны fj.On top of the waveguide 1, which is made in the form of a tube, is located the source 2 of acoustic vibrations Vo, in contact with the aqueous medium of the volume. Bottom on the opposite side of the waveguide 1 is a disk reflector 3, which regulates the annular slotted gap Δ. All these elements form a high-frequency acoustic filter, which ensures the formation of a standing acoustic wave, and the annular gap gap Δ _i gives the calculated working overtones ν≥i for resonant excitation fo through its overtones 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.As a source of acoustic vibrations, not only a conventional ultrasonic generator can be used, as shown in Fig. 1, but also other devices, such as a serial electric pump for liquid media and a fan for gas media. In the latter cases, these devices that implement the proposed method have two functions: the first - they are sources of acoustic vibrations and the second - are heat transfer agents, while providing heating of the coolant and mass circulation through a closed hydraulic circuit for multiple “heat treatment” in the core acoustic filter. Moreover, according to the scheme shown in figure 1, mixing, and hence the movement of the mass of the coolant is carried out by the method of rotation of the reflector disk.

На фиг.2 приведены частотные номограммы для практического выбора рабочих обертонов i основных частот акустических νo (фононов), близко сопряженных к значениям обертонам j основной частоты fo нормальных колебаний молекулы теплоносителя (на примере воды).Figure 2 shows the frequency nomograms for the practical selection of the working overtones i of the fundamental frequencies of the acoustic νo (phonons) that are closely coupled to the overtones j of the fundamental frequency fo of the normal vibrations of the coolant molecule (using water as an example).

На оси абсцисс (см. фиг.2) обозначены номера i и j обертонов, каждый из которых соответствует определенной длине волны λ_ij=λjo/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 Δ акустического фильтра. Так, например, для обертонов ν₇=f3=3 кГц потребуется рабочий щелевой зазор Δ=5 см и т.п.The abscissa axis (see Fig. 2) indicates the numbers of overtones i and j, each of which corresponds to a certain wavelength λ _ij = λjo / 2 ^ij (conditionally), where i, j = 0, 1, 2, 3, .. .. Curve a gives the distribution of the fundamental frequency fo over its first overtones j. Similarly, curve b is plotted for the electric pump used in the method scheme. Comparison of curves a and b makes it possible to select the size of the working gap Δ of the acoustic filter from curve c. So, for example, for overtones ν ₇ = f3 = 3 kHz, a working slot gap Δ = 5 cm, etc., is required.

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 Δ 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.When designing a device for heating a coolant, which can be used as a moving medium, namely liquid and gas media, it is necessary to calculate the geometric parameters of the acoustic filter - its length L, diameter and slot gap Δ according to the initial data of a specifically selected source of the working standing wave acoustic vibrations (for example, for an electric pump, the number of revolutions per second and its specific structural characteristics, for example, the number of blades), and also taking into account the choice of “working” Burton fj, j = 1, 2, 3 ... the fundamental frequency fo "normal" molecule.

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 hνi, характеризуемых по величине, близкой к характеристической частоте молекулы вещества.Known devices of hydrodynamic and gas-jet ultrasonic generators can be used as sources of acoustic vibrations, the technical parameters of which provide resonant excitation of the molecules of the working medium. Periodic elastic disturbances of the working medium created by ultrasonic generators provide a portion absorption of the energy of acoustic vibrations by a molecule of the medium (resonance absorption) followed by, as noted above, electromagnetic radiation in the infrared range. Thus, the induced thermal radiation arises in the medium as a result of the action on the molecules of the same medium of resonant, so-called ultrasonic phonons hνi, characterized by a value close to the characteristic frequency of the substance’s molecule.

Для определенности, выбрав, например, воду в качестве теплоносителя, потребуется использование источника акустических колебаний с частотой νo, 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 νi и f_i с помощью акустической фильтрации (см. фиг.2).For definiteness, choosing, for example, water as a heat carrier, it will be necessary to use an acoustic vibration source with a frequency νo close to or equal to the frequency of “normal” water molecule vibrations fo = 3.6-3.75 kHz, or to provide resonant excitation of the coolant molecules through conjugated in magnitude high-frequency overtones νi and f _i using acoustic filtering (see figure 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).A method for resonant excitation of coolant molecules (liquid, gas) using acoustic phonons from an ultrasonic (sound) source for their generation is proposed. The fundamental frequency Vo of the source (or its overtones) should be either equal to or close to the fundamental frequency fo of the characteristic vibrations of the coolant molecules (or its high-frequency overtones).

Claims

A method of heating liquid and gaseous media, including heating the circulating mass, characterized in that the heating is carried out by generating high-frequency acoustic waves in the circulating mass of the working standing wave and adjusting them through the acoustic filter to the working resonant overtone fј of the fundamental frequency f _{about the} normal normal vibrations of the coolant molecule.