Способ получения энергии и устройство для его реализации

Изобретение относится к области теоретической и экспериментальной физики и предназначено для получения энергии при вращении деталей в магнитном поле, в частности при индукционном нагреве вращающихся деталей в электротермии, и может быть использовано в энергетике и при термообработке и прочностных испытаниях деталей в отраслях машиностроения. Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в получении тепловой энергии во вращающемся проводящем теле и нагреве его до заданного распределения температур. В способе получения энергии, состоящем в перемещении проводящего тела в виде диска в магнитном поле с угловой скоростью ω, выбирают магнитное поле частотой тока 50÷25000 Гц, напряженностью магнитного поля 200÷1000 кА/м, выделяющуюся при этом удельную мощность нагрева определяют по определенной формуле. Устройство для получения энергии содержит установленное на валу электродвигателя и расположенное в камере с возможностью вращения в поле магнита проводящее тело в виде диска, магниты расположены внутри камеры, охватывая диск с двух сторон, и образуют магнитные группы, расположенные вдоль радиуса диска, при этом устройство дополнительно снабжено индукторами, источниками питания переменной частоты, источниками питания постоянного тока, устройствами управления постоянного тока, устройствами управления переменного тока, устройством управления частоты вращения, датчиком частоты вращения и др. устройствами. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области теоретической и экспериментальной физики и предназначено для получения энергии при вращении деталей в магнитном поле, в частности при индукционном нагреве вращающихся деталей в электротермии, и может быть использовано в энергетике и при термообработке и прочностных испытаниях деталей в отраслях машиностроения.

Известно устройство нагрева [1], содержащее магниты, закрепленные на периферии дисков, камеру, внутри которой расположены диски, электродвигатель, на валу которого установлены диски.

Устройство предназначено для равномерного нагрева жидкой или твердой среды от вращающихся дисков, нагретых в магнитном поле. Устройство обладает следующими недостатками. Оно имеет пониженную частоту вращения из-за ограничения по прочности соединения магнитов с дисками в поле центробежных сил. Основным недостатком устройства является невозможность нагрева диска до получения заданного неравномерного распределения температуры по его радиусу.

Известен способ получения энергии [2], заключающийся в том, что образуют на некотором промежутке пространства L насыщающее магнитное поле для ферромагнитовязкого вещества, которое продвигают в указанном промежутке пространства с некоторой скоростью V, величину которой согласуют с постоянной времени τ магнитной вязкости ферромагнитовязкого вещества, например, по формуле L/V≈2,5τ, в результате чего получают механическую энергию в форме возникающего дополнительного импульса силы, приложенного к ферромагнитовязкому веществу со стороны насыщающего магнитного поля.

Данный способ имеет недостатки. Технический результат способа состоит в получении энергии вращательного движения тела, выполненного только из ферромагнитовязкого вещества. Способ не предназначен для получения тепловой энергии и заданного распределения температуры в теле.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ [3] получения энергии в проводящем теле в виде диска, состоящий в перемещении его в магнитное поле с угловой скоростью ω, в результате чего получают тепловую энергию, выделяемую в диске для стабилизации температуры в замкнутом объеме.

Способ реализован в устройстве [3], содержащем магнит, расположенный с одной стороны диска, камеру-термостат, внутри которой расположен диск, электродвигатель, на валу которого установлен диск. С целью упрощения конструкции и повышения надежности в устройстве нагреватель выполнен в виде диска из ферромагнитного материала.

При использовании указанного устройства для нагрева вращающихся деталей возникают недостатки. Отсутствует возможность нагрева диска до получения заданного распределения температуры в радиальном направлении. Использование магнита при повышенных температурах может привести к потере его свойств, а применение низкоскоростного электродвигателя - к низкой эффективности получения тепловой энергии.

Технический задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в получении тепловой энергии во вращающемся проводящем теле и нагреве его до заданного распределения температур.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе получения энергии, состоящем в перемещении проводящего тела в виде диска в магнитном поле с угловой скоростью ω, выбирают магнитное поле частотой тока 50÷25000 Гц, напряженностью магнитного поля 200÷1000 кА/м, выделяющуюся при этом удельную мощность нагрева p определяют по формуле

р/р₀=b₀·exp(b₁·υ),

где р₀ - удельная мощность нагрева при υ=0,

где υ=ω·r (м/сек) - линейная скорость участка проводящего тела, расположенного на расстоянии r от центра вращения,

r - радиус диска,

при этом выбирают b₀=0,05÷1,00

b₁=0,00035÷0,00040.

Задача решается также тем, что в известном устройстве для получения энергии, содержащем установленное на валу электродвигателя и расположенное в камере с возможностью вращения в поле магнита проводящее тело в виде диска, магниты расположены внутри камеры, охватывая диск с двух сторон, и образуют магнитные группы, расположенные вдоль радиуса диска, при этом устройство дополнительно снабжено индукторами, источниками питания переменной частоты, источниками питания постоянного тока, устройствами управления постоянного тока, устройствами управления переменного тока, устройством управления частоты вращения, датчиком частоты вращения, устройством ввода информации, датчиками температуры, устройством передачи информации, вакуумным насосом, причем индукторы расположены на разных расстояниях от центра диска с двух его сторон, образуя первую, расположенную ближе к краям диска, и вторую, расположенную ближе к центру диска, группы индукторов, выходы источников питания переменного тока подключены к первой группе индукторов, выходы источников питания постоянного тока подключены ко второй группе индукторов, датчики температуры также образуют группы, установлены с двух сторон диска, при этом датчики температуры первой группы расположены на диске в зоне индукторов первой группы, датчики температуры второй группы расположены на диске в зоне индукторов второй группы, датчики температуры третьей группы расположены на диске в зоне магнитов, ко входам устройств управления переменного тока и устройства ввода информации подключены выходы первой группы датчиков температуры через устройство передачи информации, а к выходам устройств управления переменного тока - входы источников питания переменного тока, ко входам устройств управления постоянного тока и устройства ввода информации подключены выходы второй группы датчиков температуры через устройство передачи информации, а к выходам устройств управления постоянного тока - входы источников питания постоянного тока, выход датчика частоты вращения подключен к устройству управления частоты вращения и устройству ввода информации, а выход устройства управления частоты вращения - ко входу электродвигателя, выход вакуумного насоса соединен с камерой, выходы устройства ввода информации подключены ко входам устройств управления переменного и постоянного тока и к устройству управления частоты вращения.

Кроме того, электродвигатель в устройстве выполнен высокоскоростным.

Кроме того, магниты выполнены из самарий-кобальтовых сплавов.

На фиг.1 показано устройство для нагрева вращающегося диска.

На фиг.2 показана зависимость выделяемой мощности нагрева от частоты вращения.

Устройство для нагрева вращающегося диска на фиг.1 содержит магниты 1 и 2, индукторы первой 3, расположенной ближе к краям диска, и второй 4, расположенной ближе к центру диска 5, групп, электродвигатель 6, вал 7, камеру 8, источники питания тока переменной частоты 9, источники питания постоянного тока 10, устройства управления переменного тока 11, устройства управления постоянного тока 12, устройство управления частоты вращения 13, датчик частоты вращения 14, датчики температуры первой группы 15 расположены в зоне индукторов первой группы 3, датчики температуры второй группы 16 расположены в зоне индукторов второй группы 4, датчики температуры третьей группы 17 расположены в зоне магнитов 1, 2, вакуумный насос 18, устройство передачи информации 19, устройство ввода информации 20.

Магниты 1 и 2, индукторы первой 3 и второй 4 групп расположены с двух сторон диска 5, выходы источников питания тока переменной частоты 9 подключены к первой группе индукторов 3, выходы источников питания постоянного тока 10 подключены ко второй группе индукторов 4, ко входам устройств управления переменного тока 11 и устройства ввода информации 20 подключены выходы первой группы датчиков температуры 17 (на фиг.1 подключение не указано), а выходы устройств управления переменного тока 11 подключены к входам источников питания тока переменной частоты 9, ко входам устройств управления постоянного тока 12 и устройства ввода информации 20 подключены выходы второй группы датчиков 16 температуры 16 (на фиг.1 подключение не указано), а к их выходам устройств управления постоянного тока 12 - входы источников питания постоянного тока 10, выход датчика частоты вращения 14 подключен к устройству 13 управления частоты вращения, выход последнего подключен ко входу электродвигателя 6, выход вакуумного насоса 18 соединен с камерой 8, выходы устройства ввода информации 20 подключены ко входам устройств управления переменного 11 и 10 постоянного тока, датчики температуры первой группы 15 расположены на диске в зоне индукторов 3 первой группы, датчики температуры 16 второй группы расположены на диске в зоне индукторов 4 второй группы, датчики температуры 17 третьей группы расположены на диске в зоне магнитов 1 и 2.

Устройство для получения энергии во вращающемся диске работает следующим образом.

В устройство ввода информации 20 вводят заданные максимальную и минимальную частоты вращения и заданные температуры на разных радиусах диска, включая, например, максимальную температуру на ободе диска и минимальную температуру на ступице диска, время выхода на максимальную частоту вращения. Также в устройство 20 вводят заданные максимальную и минимальную частоты переменного тока.

Время нагрева до заданного распределения температуры, например, равно времени выхода на максимальную частоту вращения.

Включает вакуумный насос и из камеры откачивается воздух. В камере устанавливают остаточное давление воздуха 0,05 атм. В устройство 13 управления частотой вращения подается сигнал из устройства ввода информации 20. Под управлением устройства 13 электродвигатель 6 плавно увеличивает частоту вращения диска. В зонах вращающегося диска, где установлены магниты 1 и 2, генерируется тепловая энергия за счет вихревых токов, причем она возрастает при повышении частоты вращения и при достижении определенной частоты вращения становится существенной. В указанных зонах диск начинает нагреваться. Измерительные сигналы с датчиков температуры 15, 16 и 17 через устройство 19 передачи информации поступают в устройство 20. При достижении минимальной температуры диска устройство 20 подает сигналы в устройства управления переменного тока 11 и постоянного тока 12, которые включают источники питания тока 9 переменной частоты 9 и постоянного тока 10. В зонах диска, где установлены индукторы первой группы 3 и второй группы 4, генерируется тепловая энергия. От индукторов первой группы 3 наводятся вихревые токи в соответствующих зонах диска за счет частоты переменного тока (обычный индукционный нагрев) и дополнительные вихревые токи за счет изменения магнитного потока при вращении диска. От индукторов второй группы 4, по которым течет постоянный ток, наводятся вихревые токи только за счет изменения магнитного потока, как и от магнитов. В зависимости от текущих температур диска устройства управления переменного тока 11 и постоянного тока 12 управляют источниками питания переменного тока 9 и постоянного тока 10, которые изменяют мощности нагрева в индукторах первой 3 и второй 4 групп с учетом и конвективной теплоотдачи. При выходе на максимальную частоту вращения с помощью управляемой мощности нагрева в индукторах первой 3 и второй 4 групп и с учетом использования магнитов 1 и 2 достигается заданное распределение температуры по радиусу диска (заданные температуры на разных радиусах диска).

Разработанное устройство по предлагаемому способу получения энергии было реализовано на разгонном стенде при нагреве диска для газотурбинного двигателя диаметром 400 мм до заданного распределения температур (максимальная и минимальная температуры - 550° и 300°С. Максимальная и минимальная частота вращения - 70000 и 30000 об/мин. Время нагрева составляло 5-10 минут. В качестве токосъемника был использован ртутный токосъемник. В качестве электродвигателя использован высокоскоростной асинхронный двигатель переменного тока. В качестве магнитов использованы самарий-кобальтовые магниты, которые обладают уникальным сочетанием сильных магнитных свойств, коррозийной устойчивости и стабильности при высоких температурах до 350°С. В качестве термопар использованы хромель-алюмелевые термопары.

На фиг.2 представлена зависимость дополнительной мощности нагрева в зоне диска от частоты вращения при индукционном нагреве указанного диска на частоте тока 2400 Гц.

Заданная частота вращения может находиться между значениями 70000 и 30000 об/мин.

С использованием предложенного изобретения при циклических испытаниях данного диска с нагревом за счет выделения дополнительной тепловой энергии было получено снижение расхода электроэнергии 5000 кВт·час.

При использовании предлагаемого авторами изобретения по сравнению с прототипом в отраслях машиностроения и энергетики на разгонных стендах и специальных установках может быть повышена эффективность их работы при повышении точности создания заданного равномерного или неравномерного распределения температуры по радиусу вращающихся дисков, выполненных из разных металлических материалов, при получении дополнительной тепловой энергии (повышении составляющей мощности нагрева за счет вращения диска) в электромагнитных полях, создаваемых магнитами и индукторами, работающими на постоянном токе и токах разной частоты. Кроме того, повышение эффективности нагрева обеспечивается и за счет расширения диапазона частот вращения и свойств магнитов.

Источники информации

1. Kamal Olavi. Apparatus and method for heating a fluid by induction heating. Patent US №5914065.

2. Меньших О.Ф. Способ получения энергии и устройство для его реализации. Патент RU №2332778. 2008.

3. Белозеров А.П. Термостат. А.с. №279117. 1970. Бюл. №26.

1. Способ получения энергии, состоящий в перемещении проводящего тела в виде диска в магнитном поле с угловой скоростью ω, отличающийся тем, что выбирают магнитное поле частотой тока 50÷25000 Гц, напряженностью магнитного поля 200÷1000 кА/м, выделяющуюся при этом удельную мощность нагрева р определяют по формуле
p/p₀=b₀·exp(b₁·υ),
где р₀ - удельная мощность нагрева при υ=0,
где υ=ω·r (м/с) - линейная скорость участка проводящего тела, расположенного на расстоянии r от центра вращения,
r - радиус диска,
при этом выбирают b₀=0,05÷1,00;
b₁=0,00035÷0,00040.

2. Устройство для получения энергии, содержащее установленное на валу электродвигателя и расположенное в камере с возможностью вращения в поле магнита проводящее тело в виде диска, отличающееся тем, что магниты расположены внутри камеры, охватывая диск с двух сторон, и образуют магнитные группы, расположенные вдоль радиуса диска, и дополнительно снабжено индукторами, источниками питания переменной частоты, источниками питания постоянного тока, устройствами управления постоянного тока, устройствами управления переменного тока, устройством управления частоты вращения, датчиком частоты вращения, устройством ввода информации, датчиками передачи информации, вакуумным насосом, причем индукторы расположены на разных расстояниях от центра диска с двух его сторон, образуя первую, расположенную ближе к краям диска, и вторую, расположненную ближе к центру диска, группы индукторов, выходы источников питания переменного тока подключены к первой группе индукторов, выходы источников питания постоянного тока подключены ко второй группе индукторов, датчики температуры также образуют группы, установлены с двух сторон диска, при этом датчики температуры первой группы расположены на диске в зоне индукторов первой группы, датчики температуры второй группы расположены на диске в зоне индукторов второй группы, датчики температуры третьей группы расположены на диске в зоне магнитов, ко входам устройств управления переменного тока и устройства ввода информации подключены выходы первой группы датчиков температуры через устройство передачи информации, а к выходам устройств управления переменного тока - входы источников питания переменного тока, ко входам устройств управления постоянного тока и устройства ввода информации подключены выходы второй группы датчиков температуры через устройство передачи информации, а к выходам устройств управления постоянного тока - входы источников питания постоянного тока, выход датчика частоты вращения подключен к устройству управления частоты вращения и устройству ввода информации, а выход устройства управления частоты вращения - ко входу электродвигателя, выход вакуумного насоса соединен с камерой, выходы устройства ввода информации подключены ко входам устройств управления переменного и постоянного тока и к устройству управления частоты вращения.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что электродвигатель выполнен высокоскоростным.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что магниты выполнены из самарий-кобальтовых сплавов.