Проектируем мобильный нагреватель воды на токах Фуко

В связи с тем, что сейчас многие проживают «тот самый знаменитый период», когда летом отключают горячую воду — мне вспомнилась одна затея, которую я некоторое время назад прорабатывал…

В электротехнике наблюдается такое явление, которое называется «токами Фуко», названное так, в честь французского учёного Жана Бернара Леона Фуко, которым оно впервые было подробно исследовано (однако, первооткрывателем он не является).

Суть этого явления заключается в том, что при попадании проводника в знакопеременное магнитное поле, в нём возникают вихревые токи, которые, если упрощённо их описать, представляют собой короткозамкнутые контуры.

Картинка: wikipedia.org, Автор: Chetvorno

Эти контуры располагаются перпендикулярно вызывающим их линиям магнитного поля.

Причём эти токи имеют своё собственное магнитное поле, которое пытается противостоять индуцирующему магнитному полю, в процессе ослабляя его.

Физическое выражение этого сопротивления заключается в том, что с помощью этого магнитного поля можно тормозить движущийся проводник, что широко используется в технике для реализации бесконтактного тормоза.

Красивая демонстрация этого явления — бросание сильного редкоземельного магнита сквозь трубу из цветного металла. Магнитное поле токов Фуко взаимодействует с магнитом и тормозит его падение:

На основе подобного же явления возможно возникновение электромагнитной левитации, красивой демонстрацией которой является электромагнитный скейт: небольшая доска, в которой смонтирован ряд электродвигателей и система их питания.

Электродвигатели быстро вращают диски с вмонтированными в них магнитами, благодаря чему возникает сильное отталкивающее поле. Сам же скейт движется над рампой, покрытой листами меди. Получается весьма эффектно:

Токи Фуко приводят и к возникновению так называемого «скин-эффекта», который выражается в уменьшении амплитуды электромагнитного излучения с увеличением глубины среды, в которой это излучение распространяется.

Это явление приводит к тому, что собственное магнитное поле токов Фуко вытесняет эти токи на поверхность, в результате чего они концентрируются в тонком приповерхностном слое.

Причём толщина этого скин-эффекта зависит от частоты изменения магнитного поля и сопротивления материала: чем выше частота и ниже сопротивление материала — тем толщина скин-слоя меньше. К примеру, для меди частота изменения поля в 2 МГц вызывает возникновение скин-слоя толщиной всего 0,25 мм. Несмотря на такой маленький слой, в котором «неистовствуют» токи Фуко, благодаря высокой теплопроводности меди — высокая температура достаточно быстро распространяется на всю толщу проводника.

Причём в литературе приводится такая цифра: если частота знакопеременного магнитного поля составляет менее 50 Гц и сечение медного проводника находится в пределах до 22 мм- со скин-эффектом можно не считаться. Если же проводник изготовлен из алюминия, то тоже самое (при его сечениях до 30 мм) — можно сказать и о нём.

Эти токи приводят к нагреву проводящего материала, в толще которого они возникают. Причём, особенно сильные токи возникают в материалах с низким сопротивлением и большой толщиной.

Нагрев в данном случае не является чем-то удивительным. Не забываем, ведь мы имеем дело с коротким, по своей сути, замыканием, возникающим прямо в толще материала!

Кстати сказать, именно поэтому магнитопроводы трансформаторов набирают из отдельных пластин, каждая из которых покрыта специальным лаком и имеет небольшую толщину до 0,5 мм.

Кроме того, в состав пластин магнитопровода добавлены специальные компоненты, которые увеличивают их сопротивление.

Картинка: oooevna.ru

Всё это вместе предназначено для снижения величин возникающих токов Фуко и снижения вероятности потери энергии на нагрев.

Но не всегда возникновение подобных явлений является отрицательным фактором: например, подобные явления широко используются для индукционного нагрева (сушка древесины) и плавки металлов.

Первое промышленное устройство на подобном принципе появилось ещё в начале 1900-х годов и располагалось в Швеции. Это была плавильная печь, работающая на частотах до 60 Гц и представляющая собой с конструктивной точки зрения трансформатор, с единственным вторичным витком, который был короткозамкнут.

Подобный способ плавки распространён и по сей день. Например, если требуется работа на частотах до сотен килогерц, то есть возможность применять IGBT-транзисторы. Если же требуются частоты в мегагерцах, то используются электронные лампы.

Я сам в одно время достаточно сильно увлёкся этими индукционными плавилками металла, рассматривая их как средство для эффективного и быстрого плавления металлов на дому и для изготовления металлических деталей с помощью 3D печати по выплавляемой или выжигаемой модели.

Но в настоящее время, после того как я открыл для себя способ плавления металлов прямо в микроволновке, о чём я уже писал статью, я считаю, что этот способ хоть и имеет право на жизнь, но в домашних условиях, его лучше использовать для быстрой закалки, а не для плавления.

И вот, мы подошли к самому главному 🙂

Делая вывод из всего вышесказанного, можно сказать, что с помощью знакопеременного магнитного поля — нагрев проводника возможен.

Причём здесь интересным моментом является то, что абсолютно неважно, каким образом это поле вызывается: с помощью электронной схемы, которая индуцирует это поле с определённой частотой, либо же механическим способом. Все присущие явлению эффекты наблюдаются и при том и при другом случае!

Чуть выше я уже упоминал об электромагнитном скейте, где вращающиеся магниты используются для отталкивания от пола. Однако функционал магнитов этим не исчерпывается: они вполне могут использоваться и для нагрева!

Уж не знаю, кто первый это начал, но в сети достаточно много видео различных испытателей, которые демонстрируют приблизительно один и тот же эффект: вращающийся диск с интегрированными в него сильными магнитами (установленные с переменным знаком через один: + — + — и т.д.), нагревающий разнообразные проводники, в числе которых могут быть даже весьма серьёзного сечения. Тем не менее несмотря на такую толщину проводника, за считаные десятки секунд проводник раскаляется докрасна:

Или, можно даже поджарить яичницу:

Чувствуется, что подобная идея захватила умы многих, так как некоторые провели даже полномасштабные исследования реализуемости подобного проекта в целях отопления дома.

Ну а действительно, получается ведь красиво: прямое преобразование механической энергии в тепло:

Но результаты этого достаточно масштабного эксперимента показывают, что чудес не бывает: всё равно одним из самых эффективных способов (по затратам электроэнергии) остаётся преобразование электричества в тепло с помощью ТЭНов.

Но, это если говорить с точки зрения энергоэффективности. Однако попробуем рассудить с других точек зрения, всё ли так плохо:

• прямой нагрев герметичной системы, без вмешательства в неё — может быть весьма полезен в ряде применений,
• если механическая энергия является бесплатной (например, энергия ветра, воды) — то способ становится достаточно интересным, ввиду потребности в совсем небольшом количестве компонентов и отсутствия какого-либо генератора для генерации электроэнергии.

Кроме этих двух перечисленных пунктов, есть ещё один: тепловыделение весьма интенсивное, заставляющее буквально за считаные десятки секунд «взлетать крышке чайника»:

Пытаемся рассуждать дальше: а всегда ли нужно промежуточное звено в виде электрогенератора для того, чтобы потом эту полученную энергию превращать в тепло? Ведь единственный плюс электрогенератора — это создание некой «универсальной ценности» в виде электроэнергии, которая может быть трансформирована в любое полезное действие и передана на далёкое расстояние по проводам. Если же потребление этого полезного действия происходит прямо тут же, то никакая передача на далёкие расстояния не потребуется, равно как и трансформация в некое другое действие, кроме нагрева. Тогда вполне можно обойтись и без генератора!

Опустив очевидные применения в виде отопления домов (так как там, как правило, требуется не только тепло, но и электроэнергия для питания оборудования дома), попробуем прикинуть, для чего ещё подобная функция могла бы быть полезна?

В мире происходит множество различных техногенных и рукотворных катастроф, когда большое количество людей остаётся без крыши над головой; бригады работников, работающие за пределами городов и в течение продолжительного времени; выезды на природу для туристов, когда люди находятся долгое время «в полях», без доступа к благам цивилизации — названные категории людей, думается, не отказались бы от наличия под рукой доступной горячей воды в больших количествах!

Проблематика нагрева с использованием постоянных магнитов и интересные цифры на эту тему имеются в научном журнале Известия РАН. Энергетика, 2020, № 2, где коллективом авторов был проведён эксперимент с измерением температур.

В ходе эксперимента производилось исследование температуры вращающегося диска, расположенного с зазором в 5 мм над редкоземельными постоянными магнитами.

Замеры производились при двух скоростях вращения:

• 5.000 об/мин,
• 8.000 об/мин.

Самая высокая температура была получена:

• при скорости вращения в 8.000 об/мин, на радиусе диска в 100 мм, где температура составила порядка 350 градусов,
• при 5.000 об/мин на том же радиусе самая высокая температура составила порядка 250°.

Авторы делают предположение, что с увеличением диаметра диска, и с сохранением той же скорости, могут быть достигнуты температуры, вплоть до 500°.

Если же подытожить полученную информацию, то получается, что при диаметре диска, порядка 100 миллиметров, могут быть получены температуры более 100 градусов (там у них имелся в виду радиус, то есть диаметр диска составлял 200 мм, а мы же возьмём более маленький диск — диаметром не более 100 мм).

Почему я решил остановиться на таком маленьком диске? Дело в том, что примерно подобный диаметр имеет проём (80 мм), где вращается сцепление, установленное в двигателях бензокос для стрижки газонов. Подобный двигатель является весьма перспективным, с той точки зрения, что он весьма лёгкий, а вследствие своего двухтактного характера и весьма оборотистый:

Попробуем прикинуть, как мог бы выглядеть компактный переносной водонагреватель на базе этого двигателя (подразумевается, что не конкретно именно этого двигателя, а двигателей подобного типа).

В том же самом исследовании коллектива авторов, которое приведено выше, рекомендуется использовать постоянные магниты из сплавов на основе самария-кобальта, так как они достаточно интересны своей высокой индукцией (до 1Тл) и высокой температурной устойчивостью, которая позволяет им сохранять свои магнитные свойства в диапазоне температур, вплоть до 350° ( на самом деле до 500, но, видимо, здесь взяли цифру чуть ниже для подстраховки).

Температура здесь упомянута в том смысле, что если кто не знает, то у магнитов существует так называемая «точка Кюри», то есть температура, при которой происходит фазовый переход со скачкообразным изменением свойств. В нашем случае — это изменение свойств заключается в потере магнитных качеств. Для примера — неодимовые магниты могут работать вплоть до температур, в пределах до 200°.

Так как этот магнитный диск будет работать в непосредственной близости от раскалённого проводника, забота о температурной устойчивости магнитов не является излишней. Впрочем, так как у нас в этой системе магниты/проводник, вращающимся агентом являются именно магниты, то, скорее всего, они достаточно эффективно будут охлаждаться при трении об воздух и превышение точки Кюри не произойдёт.

Анализируя плоды работ всех экспериментаторов, видео которых мне удалось найти в сети, я увидел один существенный недостаток, который просто бросается в глаза: они используют в качестве проводника, сквозь который течёт вода, медную трубку достаточно большого сечения. На мой взгляд, это плохое решение.

Почему:

• эффективно взаимодействует с магнитным полем только небольшая часть трубки, которая находится максимально близко к пролетающим мимо неё магнитам,
• большое сечение трубки не способствует эффективному теплообмену, что приводит к неэффективной работе системы.

Тут нам придётся немного вспомнить историю, а конкретно, изобретение, которое изменило мир: паровозы.

С точки зрения простого обывателя, который никогда, наверное, не интересовался этим вопросом, любой паровоз представляет собой: «ну, наверное, какой-то котёл, грубо говоря, кастрюля, под которой горит огонь».

Однако, если мы обратимся к историческим фотографиям, на которых мы можем видеть паровозы, особенно те из них, где паровозы показаны, так сказать, в разобранном состоянии. После технологических взрывов мы увидим, что так называемый «котёл паровоза», на самом деле — представляет из себя весьма сложное технологическое устройство, состоящее из множества тонких трубок — теплообменника.

Картинка: 4tololo.ru

Картинка: 4tololo.ru

Именно он позволяет эффективно использовать энергию сгорающего топлива и быстро нагревать и превращать в пар большое количество воды.

Почему бы и нам не использовать подобное решение?! Однако, тут есть противоречие: если мы захотим обеспечить протекание воды через массив, условно тонких трубок — будет достаточно сложно их собрать и исключить протечки.

Кроме того, через какое-то время, в полный рост встанет проблема оседания накипи, которая при таком малом сечении может стать фатальной и привести устройство в негодность.

Поэтому, на мой взгляд, гораздо эффективнее использовать решение, которое представляет собой щелевидную проточку в диске, которая накрыта сверху точно таким же диском и между ними проложена герметизирующая прокладка. Это решение позволит обеспечить эффективный теплообмен между водой и металлом. По мере же естественного нарастания накипи — устройство может быть легко разобрано и очищено!

Кроме того, подобная щелевидная проточка позволит элегантно решить проблему приближения всей площади трубки к магнитам, чтобы на максимальную площадь металла воздействовало магнитное поле (получается как бы трубка прямоугольного сечения).

Также нам потребуется некая помпа, которая будет забирать холодную воду из внешнего источника и прокачивать её через нагреватель. В качестве такой помпы, учитывая высокую скорость вращения вала, можно использовать даже небольшую лопаточку (то есть устройство помпы будет максимально простым, подобно тому как устроена помпа у стеклоомывателей легковых автомобилей).

Помпа приводится в действие от того же самого вала, который вращает и магнитный диск.

Все эти идеи я постарался изложить на картинке ниже (кликабельно).

На картинке, для простоты и наглядности, канал для воды показан упрощённо, в виде практически буквы «U». Понятно, что в реальности, требуется удлинить ход воды внутри теплообменника — сделать несколько оборотов «улиткой» и т.д.

В качестве магнитов — взяты размеры термостойких самарий-кобальтовых магнитов с известного китайского сайта, размером 10х2мм. Их поместилось 16 штук.
При максимальных паспортных оборотах (понятно, в реале будет отличаться, но на что-то нам надо ориентироваться) в 9000 об/мин — частота смены магнитного поля на каждой точке водопровода составит: 9000х16= 144 кГц. Или 2,4 кГц/сек. Выглядит жутковато :-). С другой стороны — чем быстрее сменяется поле, тем эффективней нагрев!

В результате на выходе мы имеем весьма лёгкое устройство, которое может генерировать горячую воду в неограниченных количествах, в потоковом режиме. Как мне видится, подобное устройство придётся весьма ко двору в сложных жизненных ситуациях — в зонах природных и техногенных катастроф, позволив обеспечить людям минимальный бытовой комфорт.

Кроме того, по моему опыту, подобное устройство может прийтись весьма по вкусу женщинам, которые традиционно достаточно вяло относятся к идеям своих мужчин, по поводу долгих туристических выездов на природу, так как там отсутствуют элементы цивилизации и в том числе — горячая вода 🙂

Итак, кран с горячей водой. Где угодно — в полях/лесах. Неограниченно. Без массивных генераторов.

Стартап? Why not…