способ повышения эффективности теплогенератора кавитационного типа
Классы МПК:
F24J3/00 Прочие способы получения или использования тепла, образующегося иначе, чем в процессе горения
Автор(ы):
Бритвин Л.Н.
Патентообладатель(и):
Бритвин Лев Николаевич
Приоритеты:
Изобретение относится к способам получения тепловой энергии за счет процесса кавитации в потоке жидкости. Сущность изобретения заключается в том, что величину давления в контуре циркуляции на входе в насос для рабочего значения температуры жидкости в контуре и заданной геометрии рабочего канала теплогенератора задают по максимуму тепловыделения в кавитационном теплогенераторе, например, по максимуму производной dq/dt, где q — количество тепла по теплосчетчику, отводимого от теплогенератора, ограничивая минимальное давление на входе в насос величиной, обеспечивающей его безкавитационную работу для рабочего значения температуры жидкости в контуре циркуляции, а для достижения глобального максимума тепловыделения регулируют как температуру в контуре циркуляции, так и величину давления на входе в насос при заданном расходе через теплогенератор, в том числе и в периоды разогрева контура от момента включения насоса при дискретном управлении включением и выключением теплогенератора, например, при его работе в системах отопления. 3 з. п. ф-лы, 1 ил.
Формула изобретения
1. Способ повышения эффективности теплогенератора кавитационного типа, работающего в замкнутом циркуляционном контуре, в котором расход циркуляции жидкости, проходящей через кавитационный теплогенератор, задают насосом, отличающийся тем, что величину давления в контуре циркуляции на входе в насос для текущего рабочего значения температуры жидкости в контуре и заданной геометрии рабочего канала теплогенератора задают по максимуму производной dq/dt, где q — количество тепла по теплосчетчику, отводимого от теплогенератора, ограничивая минимальное давление на входе в насос величиной, обеспечивающей его безкавитационную работу для рабочего значения температуры жидкости в контуре циркуляции.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в контуре циркуляции регулируют как рабочую температуру, так и величину давления на входе в насос до достижения глобального максимума тепловыделения из контура циркуляции теплогенератора кавитационного типа при заданном расходе через кавитационный теплогенератор.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что насосный агрегат включают при снижении в контуре циркуляции рабочей температуры ниже заданной минимально допустимой и отключают при достижении в контуре циркуляции максимально допустимой рабочей температуры, непрерывно изменяя при включенном насосе величину давления в контуре циркуляции по температуре, обеспечивая получение максимума тепловыделения по текущему времени от момента включения насоса.
4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что задают уровень тепловой мощности теплогенератора, регулируя расход циркуляции в контуре теплогенератора, воздействуя непосредственно на подачу насоса.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к способам получения тепловой энергии за счет процесса кавитации в потоке жидкости.
Известен способ получения тепловой энергии, где в потоке жидкости, циркулирующей в замкнутом контуре посредством насоса создают кавитацию и подвергают поток воздействию переменного давления, накладывая наперед заданные ограничения на величину статического давления в теплогенераторе [1] — прототип.
Недостаток известного способа заключается в том, что практически невозможно в кавитационном генераторе со сложной геометрией рабочего канала заранее определить места и зоны кавитации в зависимости от температур потока, существующей на различных участках рабочего канала, а также и давления на этих участках, тем более, если по условиям эксплуатации необходимо регулировать уровень максимальной тепловой мощности теплогенератора.
Цель данного предложения — повышение эффективности теплогенератора кавитационного типа, работающего в замкнутом циркуляционном контуре, в котором поток жидкости, проходящей через теплогенератор, задают насосом при одновременном обеспечении как надежной работы насоса (наиболее чувствительного к разрушительному воздействию кавитации), так и возможности задания уровня тепловой мощности теплогенератора при максимуме удельного тепловыделения для используемой конструкции теплогенератора.
Данная цель решается тем, что величину давления в контуре циркуляции на входе в насос для рабочего значения температуры жидкости в контуре и заданной геометрии рабочего канала теплогенератора задают по максимуму тепловыделения в кавитационном теплогенераторе, например, по максимуму производной dq/dt, где q — количество тепла (по теплосчетчику), отводимого от теплогенератора, t — время, ограничивая минимальное давление на входе в насос величиной, обеспечивающей его безкавитационную работу для рабочего значения температуры жидкости в контуре циркуляции.
Кроме того, для достижения глобального максимума тепловыделения из контура циркуляции теплогенератора при заданном расходе через кавитационный теплогенератор, регулируют как рабочую температуру, так и величину давления на входе в насос. А для минимизации энергозатрат на приведение насосного агрегата его включают при снижении в контуре циркуляции рабочей температуры ниже заданной минимально допустимой и отключают при достижении в контуре циркуляции максимально допустимой рабочей температуры, непрерывно изменяя при включенном насосе величину давления в контуре циркуляции по температуре в этом контуре, постоянно обеспечивая максимум тепловыделения по мере изменения температуры рабочей жидкости. При этом для регулирования тепловой наибольшей мощности теплогенератора регулируют расход циркуляции через теплогенератор.
На чертеже дан пример реализации данного способа.
Электродвигатель 1 приводит насос 2, подающий рабочую жидкость в теплогенератор кавитационного типа 3, выход которого через теплообменник 4 и шунтирующий его управляемый дроссельный регулятор расхода 5 сообщен с выходом насоса 2, гидролинией, содержащей источник жидкости с регулируемым давлением. В данном случае этот источник выполнен виде пневмогидроаккумулятора 6, давление в котором задается редуктором 7. Теплообменник 4 вторичного контура, отбирающего тепло от циркуляционного контура теплогенератора 3, содержит теплосчетчик 8 тепловой энергии и дифференцирующий блок 9, вырабатывающий сигнал о величине мощности теплового потока, подключенный к входу экстремального регулятора 10, который подключен также к датчикам температуры 11 и давления 12 первичного контура — контура циркуляции теплогенератора 3.
Экстремальный регулятор 10 своим выходом сообщен с регулятором давления 7 и дроссельным регулятором расхода 5 и/или 5 для задания и стабилизации температуры в циркуляционном контуре, а также в варианте выполнения может быть сообщен и с регулятором частоты вращения 13 электродвигателя 1, воздействующим на расход жидкости через теплогенератор 3 и, следовательно, на его тепловую мощность.
Теплогенератор с регулятором 10 может работать в различных характерных режимах, общим для которых является воздействие регулятора 10 на величину давления на входе в насос, посредством регулятора редуктора 7 таким образом, что достигается максимум тепловой мощности, отбираемой от теплогенератора при ограничении минимального значения этого давления значением, обеспечивающим при существующей в контуре теплогенератора температуре рабочей жидкости безкавитационный режим работы насоса 2. В случаях применения теплогенератора, когда допустимо изменение рабочей температуры жидкости в широком интервале, например, при релейном управлении средней теплопроизводительностью, регулятор 10 может воздействовать как на температуру в теплогенераторе, так и на величину давления на входе в насос, обеспечивая достижение глобального максимума тепловыделения при заданном расходе жидкости через теплогенератор, определяемом регулятором 13 мощности (частоты) электродвигателя 1.
При отсутствии регулятора частоты 13 (при стабилизированном расходе через теплогенератор) минимальное время разогрева вторичного контура, например теплообменника 4 (выполняющего и функцию теплового аккумулятора), от минимальной температуры до максимально допустимой, осуществляется регулятором 10 за счет воздействия на регуляторы 5, 5 или 7, что позволяет достигать глобального максимума тепловыделения из теплогенератора в процессе разогрева вторичного контура.
В случае требования стабилизации температуры на заданном значении при переменной мощности отбираемого потока тепла глобальный максимум энерговыделения достигается воздействием регулятора 10 в первую очередь на регулятор 7 с последующим воздействием на регуляторы расхода 5 и частоты 13, когда возможности повышения тепловыделения за счет предыдущего регулятора исчерпываются.
Описанный способ управления позволяет существенно упростить техническую реализацию кавитационных теплогенераторов, имеющих сложный характер течения, изменяющийся при вариации температурных и мощностных режимов, и тем самым обеспечить их максимальную технико-экономическую эффективность.
Источники информации 1. Патент РФ 2054604, кл. F 24 J 3/00.
Источник
способ повышения эффективности использования электроэнергии (вариант 2)
Классы МПК:
H02J3/01 устройства для подавления гармоник или пульсаций
Патентообладатель(и):
Устименко Игорь Владимирович (RU)
Приоритеты:
Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в уменьшении непроизводительных потерь в потоке мощности энергосистемы. Согласно способу из потока мощности, отбираемого активно индуктивной нагрузкой, посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя, извлекают индуктивную составляющую, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей индуктивной составляющей тока, и, утилизируют посредством ее накопления в виде энергии постоянного тока. 1 ил.
Формула изобретения
Способ повышения эффективности использования электроэнергии, при котором из потока мощности, отбираемого неактивной нагрузкой, извлекают обуславливающую ее непроизводительные потери, и после преобразования накапливают в виде энергии постоянного тока, отличающийся тем, что для утилизации посредством накопления в виде энергии постоянного тока используют индуктивную составляющую энергии, которую извлекают из энергосистемы посредством полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, управляемого модулирующим сигналом, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей упомянутого модулирующего сигнала, который предварительно формируют как результат сравнения знаков двух составляющих: аналоговой, пропорциональной току, отбираемому активно-индуктивной нагрузкой, и составляющей, которую в случае равенства знаков сравниваемых: напряжения, питающего нагрузку, и напряжения, пропорционального упомянутой аналоговой составляющей, — формируют в виде логического сигнала, при этом в случае, если знаки составляющих противоположны, модулирующий сигнал формируют и посредством его осуществляют извлечение индуктивной составляющей тока, в каждый полупериод питающего нагрузку напряжения.
Описание изобретения к патенту
Способ относится к электротехнике и может быть использован для повышения эффективности использования электроэнергии посредством снижения в потоке мощности энергосистемы непроизводительных потерь.
Известен способ компенсации реактивной «мощности» (1), принятый в качестве аналога, при осуществлении которого индуктивная составляющая тока, генерируемая нелинейной нагрузкой, компенсируется емкостным током батарей конденсаторов (БК). Известный способ — аналог обладает недостатками, главными из которых являются зависимость реактивной мощности, генерируемой БК от напряжения и их чувствительность к искажениям формы питающего напряжения. При этом имеет место малый срок службы БК и их недостаточная электрическая прочность.
Известен способ (2), повышения качества электроэнергии принятый в качестве прототипа, при осуществлении которого из потока мощности, отбираемого неактивной нагрузкой, извлекают часть энергии, обуславливающую ее непроизводительные потери, и после преобразования используют для «заряда аккумуляторных батарей, от которых питаются электроустановки постоянного тока, а также инверторы, от которых питаются электроустановки переменного тока и (или) с помощью которых электрическая энергия возвращается обратно в электрическую сеть, а также утилизируют в электроустановках, для которых качество электрической энергии не является значимым (различные электронагреватели)». В известном способе не предусмотрена компенсация реактивной «мощности», и, таким образом, имеют место непроизводительные потери энергии, обусловленные реактивными токами.
Задача, решаемая изобретением, — повышение эффективности использования электроэнергии.
Это достигается тем, что согласно предложенному способу, из потока мощности, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой, извлекают его индуктивную составляющую, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяются по закону изменения огибающей индуктивной составляющей тока, и утилизируют посредством ее накопления в виде энергии постоянного тока.
На чертеже представлена схема, поясняющая сущность заявленного способа. При этом введены следующие обозначения.
2 — датчик тока нагрузки,
3 — полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель,
4 — накопитель энергии,
5 — датчик питающего напряжения,
6 — нелинейная нагрузка,
7 — блок формирования логического сигнала,
8 — блок формирования модулирующего сигнала.
Суть способа заключается в следующем. Как известно, в энергосети, при питании от нее активно-индуктивных нагрузок, в течение четверти периода знак мгновенной мощности изменяется на противоположный. Это связано с тем, что часть энергии, запасенная в магнитном поле реактивной нагрузки, возвращается назад в источник в виде реактивного тока. В этом случае протекание реактивного тока обеспечивается ЭДС самоиндукции. При этом знаки питающего напряжения и ЭДС самоиндукции, как известно, противоположны. Отрицательный эффект, связанный с реактивными токами, заключается в дополнительных непроизводительных потерях энергии в энергосистеме. В заявленном способе задача повышения эффективности использования электроэнергии решается путем снижения ее непроизводительных потерь. При этом предлагается извлекать из потока энергии, используемого активно-индуктивной нагрузкой, индуктивную составляющую и утилизировать посредством ее накопления в виде энергии постоянного тока.
Задача извлечения индуктивной составляющей решается посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя, построенного на IGBT модулях. Протекание индуктивной составляющей тока через каждое из плеч полностью управляемого транзисторного выпрямителя, обеспечивается, в каждом полупериоде питающего напряжения — ЭДС самоиндукции. При этом транзисторы каждого из плеч управляемого моста открываются на время, в течение которого в энергосистеме протекает индуктивная составляющая тока, и как уже было сказано, ее протекание обеспечивается действием ЭДС самоиндукции. Управление транзисторами осуществляют посредством модулирующего сигнала с заданными характеристиками. Использование IGBT-транзисторов, при выпрямлении тока, позволяет использовать их управляющие свойства относительно токов. При этом осуществляется избирательное выпрямление только той составляющей тока, которая задается сигналом управления. На выходе управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя присутствует последовательность однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов, энергия которых, за период их повторения, эквивалентна энергии, извлекаемой из энергосистемы индуктивной составляющей тока, а длительность изменяется по закону изменения ее огибающей. Извлеченную таким образом энергию накапливают в виде энергии постоянного тока. При этом контур, в котором замыкается реактивная составляющая энергии, генерируемая нагрузкой, ограничивается точкой подсоединения устройства, обеспечивающего ее извлечение, и энергосистема, таким образом, разгружается от индуктивной составляющей тока.
Способ осуществляется следующим образом. Активно-индуктивная нагрузка 6, отбирает из энергосистемы вместе с активной индуктивную составляющую энергии. При этом последняя загружает энергосистему реактивным током. Посредством датчика тока 2 и датчика питающего напряжения 6 формируют пропорциональные им сигналы. При этом на выходе датчика тока 2 сигнал, пропорциональный индуктивному току, генерируемому нагрузкой 6, отстает от напряжения на некоторый угол, определяющий коэффициент мощности в энергосистеме. В блоке формирования логического сигнала 7 сравниваются знаки сигналов,поступающих на его входы с выходов датчика тока 2 и датчика питающего напряжения 5, и на его выходе формируется цифровая последовательность нулей и единиц, причем при совпадении знаков сигналов, пропорциональных току и напряжению, на выходе блока 7 формируется логическая единица, а в остальных случаях — логический нуль. Таким образом, логическая единица, соответствует той части периода, в течение которого нагрузка 6 отбирает из энергосистемы активную мощность. Далее сигнал с выхода блока 7 поступает на один из входов блока формирования модулирующего сигнала 8, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный току, отбираемому нагрузкой 6. Таким образом, в те моменты, в течение которых логический нуль, поступающий с выхода блока 7, совпадает на входе блока 8 с положительной полуволной отбираемого нагрузкой 6 тока, на выходе блока 8 формируются модулирующие импульсы напряжения, пропорциональные индуктивной составляющей тока, отбираемого нагрузкой 6, и синфазные по отношению к ней. В течение времени действия импульсов напряжения, сформированных блоком 8 на управляющих входах полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, питание последнего осуществляется за счет ЭДС самоиндукции. Таким образом, посредством управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, осуществляется извлечение индуктивной составляющей тока, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой 6 в форме, способствующей ее накоплению. При этом на его выходе формируется последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, энергия которых за период их повторения эквивалентна извлекаемой из энергосистемы индуктивной составляющей тока, а их длительность изменяется по закону изменения огибающей упомянутой индуктивной составляющей, которая посредством накопителя энергии 4 накапливается в виде энергии постоянного тока.
О реализации заявленного способа необходимо отметить следующее. Использование в заявленном способе полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, работающего в ключевом режиме на частотах, превышающих частоту модулируемого управляющего сигнала, является оптимальным. При этом полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель позволяет произвольно, в зависимости от поставленной задачи, формировать огибающую выпрямленного тока, потребляемого из питающей сети. Помехи от работы полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя могут быть отфильтрованы посредством стандартных решений при минимальных энерго- и материальных затратах.
Необходимо отметить также следующий факт. Одним из преимуществ извлечения тока заданной частоты посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя является простота его перестройки при изменении текущего коэффициента мощности в энергосистеме. Для этого достаточно изменить модулирующий сигнал управления.
Таким образом, в результате последовательности действий, воспроизведенных в соответствии с заявленным способом повышения эффективности использования электроэнергии, из энергосистемы извлекается и утилизируется индуктивная составляющая тока, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой.
1. Рекус Г.Г. Электрооборудование производств: Справ. пособие [Текст] / Рекус Г.Г. М.: Высш. шк., 2007, с.334.
