Теплогенератор для нагрева жидкостей

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики. Теплогенератор включает средство для подачи жидкости, корпус и расположенные в корпусе, по меньшей мере, одно средство для ускорения движения жидкости, выполненное в виде лопастного колеса, установленного с возможностью вращения под действием привода, и, по меньшей мере, одно средство для торможения движения жидкости, выполненное в виде лопастного элемента, расположенного вблизи лопастного колеса с образованием зазора между лопастями. Указанные лопасти образованы радиальными пазами, выполненными на торцевой поверхности лопастного колеса и лопастного элемента соответственно. Лопастной элемент неподвижно установлен в корпусе, а радиальные пазы, выполненные на торцевой поверхности лопастного колеса и лопастного элемента, расположены под углами к радиусу окружности, ограничивающей внешние концы пазов, и проведенному через точку пересечения внешнего конца соответствующего паза и указанной окружности. В частном случае реализации изобретения лопастное колесо может быть установлено с возможностью регулирования зазора между торцевыми поверхностями лопастного колеса и лопастного элемента, а средство для подачи жидкости может представлять собой шнековый элемент. Изобретение позволяет повысить эффективность, стабильность и регулируемость процесса нагрева жидкости, а также повысить кпд и коэффициент использования мощности привода. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения зданий, сооружений, транспортных средств, в частности при ликвидации аварийных ситуаций, вызванных отказами в работе устройств систем центрального отопления и горячего водоснабжения, изобретение также может быть использовано для подогрева вязких жидкостей при их перекачке по трубопроводам и для обеспечения других хозяйственных нужд, связанных с подачей горячей жидкости.

Известно устройство для преобразования механической энергии в тепловую за счет изменения физико-механических параметров рабочей среды, например давления и объема (см. авторское свидетельство СССР 458591, F 25 B 29/00, 1972 г. ), которое включает в себя корпус в виде сферического сосуда, наполненного водой, с расположенным в нем теплообменником, насос с электроприводом, обеспечивающий сжатие рабочей среды внутри корпуса, подающий и обратный трубопроводы, оснащенные запорными вентилями, и потребитель тепла.

Основным недостатком описанного аналога является высокое рабочее давление в корпусе, достигающее 100 МПа, что усложняет конструкцию и ухудшает безопасность эксплуатации.

Известен теплогенератор, описанный в патенте РФ 2045715, F 25 B 29/00, 1995 г. и включающий в себя корпус с цилиндрической частью, ускоритель движения потока жидкости, содержащий насос для жидкости, а также инжекционный входной патрубок, соединенный с циклоном, установленным на одном из торцов цилиндрической части корпуса. Противоположный торец цилиндрической части корпуса имеет дно с выходным отверстием, сообщающимся с выходным патрубком корпуса. Внутри цилиндрической части корпуса установлено тормозное устройство с радиально расположенными ребрами. При этом выходной патрубок соединен посредством перепускного трубопровода с циклоном, а в зоне их соединения установлено дополнительное тормозное устройство. При включении насоса жидкость под давлением 0,4-0,6 МПа подается в инжекционный патрубок, ускоряется в нем, закручивается в спиральном циклоне и тормозится на стенках цилиндрической части корпуса и ребрах тормозного устройства. В результате изменений давления и скорости потока жидкость нагревается и поступает в теплообменники.

Недостатком указанного аналога является его нестабильная теплопроизводительность (то есть количество тепловой энергии, получаемое нагреваемой жидкостью в единицу времени), которая определяется величиной полезной механической мощности на валу электродвигателя. Отклонения теплопроизводительности могут достигать 1,5-2 раза как в сторону ее увеличения, так и в сторону уменьшения, при этом фактическая величина нагружающего момента электродвигателя насоса самоустанавливается в зависимости от параметров высокоскоростного потока жидкости в канале теплогенератора. Указанные параметры воспроизводятся в результате взаимодействия трех нерегулируемых элементов конструкции: проточного канала, насоса и электродвигателя. В этих условиях даже небольшие отклонения рабочих характеристик приводят к значительным отклонениям величины нагружающего момента и теплопроизводительности. В случае увеличения теплопроизводительности электродвигатель работает с перегрузкой, что недопустимо из-за возможности перегрева его обмоток и выхода из строя. В случае снижения теплопроизводительности электродвигатель работает с недогрузкой, и теплогенератор не производит требуемого количества тепла. Как при недогрузке электродвигателя, так и при его перегрузке нагружающим моментом, отличающимся от номинального, снижаются коэффициент полезного действия (кпд) электродвигателя и коэффициент использования мощности.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является теплогенератор, включающий средство для подачи жидкости, корпус и расположенные в корпусе, по меньшей мере, одно средство для ускорения движения жидкости, выполненное в виде лопастного колеса, установленного с возможностью вращения под действием привода, и, по меньшей мере, одно средство для торможения движения жидкости, выполненное в виде лопастного элемента и расположенного вблизи лопастного колеса с образованием зазора между лопастями, которые образованы радиальными пазами, выполненными на торцевой поверхности лопастного колеса и лопастного элемента соответственно (GB 2239704 А, кл. F 24 J 3/00, опубл. 10.07.1991).

Недостатком прототипа является нестабильность теплопроизводительности.

Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в обеспечении стабильного и предсказуемого характера движения жидкости в устройстве. Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в повышении эффективности, стабильности и регулируемости процесса нагрева жидкости, а также повышении кпд и коэффициента использования мощности привода.

Конструкция теплогенератора, обеспечивающая достижение указанного выше технического результата во всех случаях, на которые распространяется объем испрашиваемой правовой охраны, может быть охарактеризована следующей совокупностью существенных признаков.

Теплогенератор включает средство для подачи жидкости, корпус и расположенные в корпусе, по меньшей мере, одно средство для ускорения движения жидкости, выполненное в виде лопастного колеса, установленного с возможностью вращения под действием привода, и, по меньшей мере, одно средство для торможения движения жидкости, выполненное в виде лопастного элемента и расположенного вблизи лопастного колеса с образованием зазора между лопастями, Указанные лопасти образованы радиальными пазами, выполненными на торцевой поверхности лопастного колеса и лопастного элемента соответственно. Лопастной элемент неподвижно установлен в корпусе, а радиальные пазы, выполненные на торцевой поверхности лопастного колеса и лопастного элемента, расположены под углами к радиусу окружности, ограничивающей внешние концы пазов, и проведенному через точку пересечения внешнего конца соответствующего паза и указанной окружности.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, лопастное колесо может быть установлено с возможностью регулирования зазора между торцевыми поверхностями лопастного колеса и лопастного элемента.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, средство для подачи жидкости может представлять собой шнековый элемент.

Фактически в устройстве могут быть использованы рабочие колеса гидродинамической муфты, подобные применяемым для передачи крутящего момента между двумя валами (Гавриленко Б.А., Семичастнов И.Ф. Гидродинамические передачи: Проектирование, изготовление и эксплуатация. - М.: Машиностроение, 1980). В обычной гидродинамической муфте насосное и турбинное колеса вращаются с некоторым проскальзыванием относительно друг друга. В связи с этим рабочая жидкость нагревается, однако количество выделяемой тепловой энергии невелико по сравнению с величиной передаваемой муфтой мощности. Неподвижное закрепление турбинного колеса (становящегося в этом случае реактивным) позволяет превратить всю механическую энергию электродвигателя в тепловую энергию нагреваемой жидкости.

Возможность осуществления изобретения, охарактеризованного приведенными выше совокупностью признаков, а также возможность реализации назначений изобретения может быть подтверждена описанием конструкции теплогенератора для нагревания жидкости, выполненного в соответствии с заявленным изобретением. Описание конструкции поясняется графическими материалами, на которых изображено следующее.

Фиг.1 - принципиальная схема теплогенератора.

Фиг.2 - схема образования лопастей.

Теплогенератор 1 для нагревания жидкостей содержит корпус 2, представляющий собой теплоизолированный бак с жидкостью, разделенный перегородкой 3 на сливной 4 и напорный 5 отсеки. В сливном отсеке 4 выполнено входное отверстие 6, а в напорном - выходное отверстие 7, которые соединены с помощью, соответственно, сливного и напорного патрубков с, по меньшей мере, одним теплообменником (не показаны). В корпусе 2 размещены средства для ускорения движения жидкости и для торможения движения жидкости, выполненные в виде лопастного колеса 8 и лопастного элемента 9, соответственно, и представляющие собой два колеса гидродинамической передачи с радиальными лопастями 10, представляющими собой ребра, образованные пазами 11 на соответствующих торцах лопастного колеса 8 (насосного колеса гидродинамической передачи) и лопастного элемента 9 (реактивного колеса гидродинамической передачи). При этом продольные оси O₁O₂ пазов 11 расположены под углом α = β = 0° к радиусу окружности, ограничивающей внешние концы пазов, но могут быть расположены под углом, отличным от 0^o, в том числе пазы 11 могут быть выполнены таким образом, что лопасти 10 лопастного колеса и лопастного элемента окажутся направлены навстречу друг другу. Лопастной элемент 9 неподвижно закреплен в корпусе 2, а лопастное колесо 8 установлено соосно ему на валу 12 приводного электродвигателя 13 с возможностью регулирования зазора А между торцами лопастного колеса и лопастного элемента за счет перемещения лопастного колеса вдоль вала 12. На валу 12 установлен также шнек 14, размещенный во внутреннем отверстии лопастного элемента 9 с образованием щели В для прохода жидкости из сливного отсека 4 корпуса в полость С между лопастным элементом 9 и лопастным колесом 8. При этом диаметр d окружности, ограничивающей внутренние концы пазов лопастного колеса, меньше соответствующего диаметра D лопастного элемента, что облегчает поступление жидкости от шнека 14 через щель В в полость С между лопастным элементом и лопастным колесом.

Устройство работает следующим образом.

При включении электродвигателя 13 жидкость из теплообменников поступает в сливной отсек 4 корпуса через отверстие 6. Из отсека 4 жидкость подается шнеком 14 в пазы лопастного колеса и, ускоряясь под действием центробежных сил, перемещается от его центра к периферии, где поток закручивается и, попадая в пазы лопастного элемента, тормозится, перемещаясь к его центру, а затем снова попадает в пазы лопастного колеса. В результате жидкость нагревается и через зазор А под давлением поступает в напорный отсек 5 корпуса и далее, через отверстие 7 и напорный патрубок, к теплообменникам.

Расход жидкости через проточный канал теплогенератора и перепад давлений между напорным и сливным отсеками корпуса зависят от геометрических размеров шнека 14. При работе теплогенератора полезная механическая энергия, затрачиваемая на вращение лопастного колеса 8, практически полностью переходит в тепловую энергию нагреваемой жидкости. Поэтому теплопроизводительность устройства может быть определена произведением нагружающего крутящего момента лопастного колеса на частоту вращения вала. При этом величина нагружающего момента стабильна, т.к. зависит, главным образом, от активного диаметра рабочих колес и может быть рассчитана по известным формулам для гидродинамических передач. Кроме того, фактическую величину нагружающего момента, в небольших пределах, можно регулировать за счет изменения величины зазора А с целью ее приближения к номинальному моменту электродвигателя.

Таким образом, предложенная конструкция теплогенератора позволяет воспроизводить нагружение электродвигателя номинальным моментом, что обеспечивает стабильную теплопроизводительность, соответствующую номинальной мощности электродвигателя, с максимальным кпд.

Описанная выше конструкция теплогенератора для нагревания жидкости, выполненного в соответствии с заявленным изобретением, доказывает возможность реализации назначения изобретения и достижения указанного выше технического результата, но при этом не исчерпывает всех возможностей осуществления изобретения, охарактеризованного совокупностью признаков, приведенной в формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Теплогенератор, включающий средство для подачи жидкости, корпус и расположенные в корпусе, по меньшей мере, одно средство для ускорения движения жидкости, выполненное в виде лопастного колеса, установленного с возможностью вращения под действием привода, и, по меньшей мере, одно средство для торможения движения жидкости, выполненное в виде лопастного элемента и расположенного вблизи лопастного колеса с образованием зазора между лопастями, которые образованы радиальными пазами, выполненными на торцевой поверхности лопастного колеса и лопастного элемента соответственно, отличающийся тем, что лопастной элемент неподвижно установлен в корпусе, а радиальные пазы, выполненные на торцевой поверхности лопастного колеса и лопастного элемента расположены под углами к радиусу окружности, ограничивающей внешние концы пазов, и проведенному через точку пересечения внешнего конца соответствующего паза и указанной окружности.

2. Теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что боковые стенки радиальных пазов выполнены плоскими.

3. Теплогенератор по одному из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что лопастное колесо установлено с возможностью регулирования зазора между торцевыми поверхностями лопастного колеса и лопастного элемента.

4. Теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что средство для подачи жидкости представляет собой шнековый элемент.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2