Вихревая система отопления

 

Система относится к теплоэнергетике и может быть использована в системах теплоснабжения бытовых, промышленных и сельскохозяйственных объектов. Система содержит заключенный внутри герметичной теплообменной камеры тепловой насос в виде вихревой трубы, соединенной с лопастным насосом. Система содержит два ультразвуковых излучателя резонансной по отношению к применяемой жидкости частоты, один из них размещен на выходе рабочего колеса насоса и выполнен в виде кольцевой решетки с щелевыми отверстиями, второй - на выходе вихревой трубы и выполнен в виде ударно-струйного вибратора-камертона. Камера системы заполнена нерасходуемым тяжелым инертным газом. Технический результат заключается в повышении коэффициента преобразования теплового насоса, увеличении скорости и температуры нагрева без дополнительных затрат энергии. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике, более конкретно к нагревателям жидкости, использующим тепловые насосы, а также к вихревым трубам и вихревым теплотрансформаторам, работающим на эффекте Ранка-Хильша, и может быть использовано в системах теплоснабжения и отопления промышленных, сельскохозяйственных, транспортных и коммунально-бытовых объектов.

Известна система отопления, содержащая заключенный внутри герметичной теплообменной камеры с жидкой и газообразной рабочей средой тепловой насос в виде вихревой трубы с тангенциальным сопловым вводом, лопастным развихрителем на ее выходе и присоединенным к ней лопастным насосом с рабочим колесом и двигателем [1].

Известная система отопления позволяет обеспечивать нагрев жидкости с коэффициентом преобразования энергии выше 1,0. Прирост тепловой энергии достигается за счет инжекции энергии из окружающей среды с помощью центробежных и инерционных сил в процессах сжатия рабочей среды на периферийной стенке трубы, лопастях насоса и ее расширения с десорбцией и охлаждением растворенных газов в осевой области при непрерывной циркуляции.

Инжекция энергии из окружающей среды, определяющая коэффициент преобразования, время нагрева и максимально достижимую температуру в значительной мере активируется процессами кавитации в жидкой рабочей среде и сопровождающим ультразвуковым излучением [2].

Недостаток известной системы отопления состоит в том, что кавитация и сопровождающее ультразвуковое излучение возникают и имеют место в неконтролируемых и нерегулируемых условиях в весьма широкой полосе спектра, интенсивность кавитации и ультразвукового излучения также может быть недостаточна для эффективного нагрева.

Известен также способ интенсификации нагрева жидкой рабочей среды (воды) путем воздействия на ее циркулирующий поток (квантования) ультразвуковыми ударными волнами с частотой в диапазоне 20 - 30 кГц.

Воздействие на циркулирующий поток воды ударными ультразвуковыми волнами позволяет в 2,5 - 3 раза увеличить температуру нагрева [3].

Эта частота вызывает резонансное развитие кавитации в воде, однако насыщение воды (сатурация) сжатыми газами, в частности тяжелыми инертными, позволяющее существенно увеличить температуру ее кипения, замена воды на другие жидкости, например антифризы, изменяют резонансную полосу частот, вводит дополнительные резонансы.

Предлагаемое устройство имеет целью устранить указанные недостатки известных, повысить коэффициент преобразования теплового насоса, увеличить скорость и температуру нагрева без дополнительных затрат электроэнергии.

Поставленная цель достигается в изобретении тем, что: тепловой насос дополнительно снабжен по меньшей мере двумя ударноструйными ультразвуковыми излучателями с резонансными частотами колебаний, один из которых помещен в корпусе насоса на выходе рабочего колеса, а второй - на его входе и выходе вихревой трубы.

Кроме того, лопастной насос выполнен центробежным, с погруженным в жидкость закрытым симметричным колесом с двухсторонним входом и дополнительными вихревыми лопатками между основными лопастями, при этом первый излучатель выполнен в виде кольцевой решетки с щелевидными отверстиями, сопряженными с межлопастными каналами колеса, а второй - в виде ударного камертона ультразвуковой частоты, жестко связанного с лопастями развихрителя.

Кроме того, вихревая труба выполнена тарельчатой формы, секционной, а ее развихритель помещен в каждой секции на ее выходе.

Устройство вихревой системы отопления схематично показано на фиг. 1 - вертикальный осевой разрез.

На фиг. 2 показан пример выполнения центробежного колеса насоса и кольцевой решетки с щелевыми отверстиями, осевой и поперечный разрезы. Устройство содержит: герметичную теплообменную камеру с жидкой и газообразной рабочей средой 1, тепловой насос в виде вихревой трубы 2 с тангенциальным сопловым вводом 3, лопастным развихрителем 8 на ее выходе, присоединенный к ней своим выходом и входом лопастной центробежный насос 4 с рабочим колесом 5 и двигателем 6.

Рабочее центробежное колесо насоса выполнено закрытым боковыми крышками, симметричным, с двухсторонним входом и дополнительными укороченными (вихревыми) лопатками 12, выполненными между основными лопастями 13. На выходе рабочего колеса насоса помещен первый излучатель в виде кольцевой решетки 7 с щелевыми отверстиями и перемычками 14. Каналы между лопастями колеса и щелевые отверстия кольцевой решетки образуют при их совмещении сверхзвуковые сопла 15.

Рабочая камера 1 дополнительно снабжена герметичной рубашкой 11 и закрыта крышкой, на которой закреплены корпус насоса с вихревой трубой и двигателем и выполнены патрубки 9 с подпружиненным обратным клапанам для накачки сжатого инертного газа и 10 с вентилем для наполнения жидкой рабочей средой и деаэрации камеры.

Вихревая труба 2 выполнена секционной, тарельчатой формы, все секции соединены между собой по внешнему диаметру и снабжены тангенциальными вводами 3 с профилированными соплами и развихрителями потока на выходе каждой секции. Выходы секций образуют эжекторный раструб, а развихрители выполнены в виде лопастных решеток и дополнительно снабжены консольными вибраторами - камертонами 8 ударноструйного действия ультразвуковой частоты колебаний, резонансной для жидкой рабочей среды, например, 25±5 кГц воды.

Система отопления работает следующим образом: лопастной насос 4 всасывает жидкую рабочую среду, насыщенную тяжелым инертным газом из камеры 1 через верхний симметричный вход и нагнетает ее под рабочим давлением в тангенциальные вводы секций вихревой трубы, предварительно прогоняя ее через щелевые отверстия кольцевой решетки 7. При вращении класса насоса относительно решетки 7 межлопастные каналы 15 последовательно перекрываются перемычками 4 (фиг. 2), модулируя поток жидкости и порождая при этом гидроударные пульсации давления. Частота пульсаций определяется количеством лопастей колеса, как основных, так и укороченных вихревых, количеством щелевых отверстий в решете, которое должно быть больше количества лопастей, и угловой скоростью (числом оборотов) двигателя, и составляет: F = K · П · Ф, где К - число лопастей, П - число отверстий решетки, Ф - частота вращения двигателя (Гц).

К примеру, при К = 24, П = 25, Ф = 50 частота пульсаций составляет: Ф = 24 · 25 · 50 = 30000 Гц.

Интенсивные пульсации в жидкости ультразвуковой резонансной частоты вызывают мощную кавитацию циркулирующего потока. При том в моменты перекрытия канала давление в жидкости резко падает, жидкость рвется, затрагивая межмолекулярные и молекулярные связи, образуя по всему послерешеточному объему большое количество газовых кавитационных пузырьков, наполненных как десорбированными инертными газами, так и продуктами расщепления воды (или иной жидкости), диаметром до 150 мкм.

При открытии отверстия решетки давление резко возрастает сверхзвуковым скачком гидроудара, газовые кавитационные пузырьки также резко схлопываются, образуя волну сжатия до 10 - 50 МПа. Температура газа внутри пузырьков возрастает свыше 5000 К. При образовании пузырьков имеет место интенсивная инжекция энергии внешних полей и переход ее в кинетическую форму движения (расширения) пузырьков. При схлопывании пузырьков вся инжектированная извне энергия преобразуется в тепло, вызывая быстрый нагрев циркулирующей жидкости. Импульсы давления при схлопывании пузырьков проникают через тангенциальные вводы 3 в секции вихревой трубы, обеспечивая импульсные выбросы жидкости на внутренние стенки и обеспечивая спиральное движение (вращение) струй от вводов до выхода. При вращении газожидкостной струи в секциях вихревой трубы происходит ее центробежное сжатие, кавитационные пузырьки схлопываются на стенках, передавая свою энергию в виде тепла сжатия омывающей ее снаружи рабочей жидкости.

Лопастные развихрители 8 останавливают вращение выходящего потока и возбуждают ультразвуковые колебания консольных вибраторов-камертонов, поддерживая кавитацию в вихревой трубе и на выходе насоса и эффективный нагрев жидкости.

Исполнение рабочего колеса центробежного насоса симметричным позволяет снять осевые нагрузки с вала и опор вращения двигателя, тем самым значительно повысить допустимый уровень давления, развиваемого насосом, а симметричный вход - обеспечить независимый ввод жидкости из камеры 1 (через верхний ввод) и вихревой трубы (через нижний ввод).

Таким образом, устройство системы отопления выполняет поставленную цель: повышает коэффициент преобразования энергии благодаря введению дополнительных ультразвуковых излучателей резонансной частоты, увеличивает скорость и температуру нагрева благодаря выполнению вихревой трубы секционной, повышению давления насоса за счет симметрии колеса и глубины пульсаций, обеспечивает возможность перехода на другие рабочие жидкости (антифризы) установкой сменной кольцевой решетки 7 с специально подобранным количеством отверстий, рассчитанных на иную резонансную частоту.

Применение рубашки 11 с патрубками на теплообменной камере 1 позволяет снимать тепло промежуточным теплоносителем без потери дорогостоящих тяжелых инертных газов, насыщающих рабочую жидкую среду в камере, тем самым уменьшить расход газа и себестоимость тепла.

Технический эффект состоит в получении тепловой энергии из окружающей среды с высоким коэффициентом преобразования.

Использованные информационные источники 1. Патент N 2089795, F 25 B 29/00, публ. 10.09.97 г., бюл. 25.

2. Патент N 2065127, F 24 H 3/00, публ. 10.08.96 г., бюл. 22.

3. Маргулис М. А. Звукохимические реакции и сонолюминесценция. - М.: Химия, 1986 г., с. 210.

Формула изобретения

1. Вихревая система отопления, содержащая заключенный внутри герметичной теплообменной камеры с жидкой и газообразной рабочей средой тепловой насос в виде вихревой трубы с тангенциальным сопловым вводом, лопастным развихрителем на ее выходе и присоединенным к ней лопастным насосом с рабочим колесом и двигателем, отличающаяся тем, что тепловой насос дополнительно снабжен по меньшей мере двумя ударно-струйными ультразвуковыми излучателями с резонансными частотами колебаний, один из которых помещен в корпусе насоса на выходе рабочего колеса, а второй - на его входе и выходе вихревой трубы.

2. Вихревая система отопления по п.1, отличающаяся тем, что лопастной насос выполнен центробежным, с погруженным в жидкость закрытым симметричным колесом с двусторонним входом и дополнительными вихревыми лопатками между основными лопастями, при этом первый излучатель выполнен в виде сменной кольцевой решетки с щелевыми отверстиями, сопряженными с межлопастными каналами колеса, а второй - в виде ударного камертона ультразвуковой частоты, жестко связанного с лопастями развихрителя.

3. Вихревая система отопления по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что вихревая труба выполнена тарельчатой формы, секционной, а ее развихритель помещен на выходах каждой секции и выполнен в виде сменной лопастной решетки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2