Теплогенератор кавитационного типа

 

Изобретение относится к теплоэнергетике. Теплогенератор кавитационного типа, базирующийся на использовании вихревой форсунки, приводимой от насоса-побудителя, может быть использован также как смеситель, гомогенизатор, диспергатор в технологических процессах. Для повышения эффективности на выходе сопла вихревой форсунки расположен выполненный в виде осесимметричной камеры по меньшей мере один резонатор, а для получения дополнительного эффекта с торца вихревой камеры оппозитно ее соплу установлен второй осесимметричный резонатор, сообщенный с полостью форсунки центральным отверстием. При этом по меньшей мере один резонатор выполнен с регулируемой частотой, а для повышения суммарного тепловыделения в оппозитно расположенных торцовых стенках резонаторов по их оси установлены электроды, сообщенные с источником электрического тока. При этом для оптимизации процесса тепловыделения соотношение мощностей тока, подводимого к насосу-побудителю и электродам, выполнено регулируемым. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится преимущественно к теплогенераторам кавитационного типа, а также может быть использовано в кавитационных смесителях, гомогенизаторах, диспергаторах и т.п. аппаратах.

Известны аналогичные кавитационные технологические аппараты, содержащие кавитационный генератор, вход которого подключен к источнику жидкости под давлением (Федоткин И.М., Немчин А.Ф. Использование кавитации в технологических процессах. Киев: Вища школа, 1984, с.12-13, 32). Данные технические решения направлены на повышение интенсивности кавитационных процессов, но не решает эту задачу окончательно и требует сложных технических решений, не исключающих износ элементом кавитационного генератора.

Наиболее близким по физико-технической сущности аналогом является способ генерации тепла, использующий кавитационную вихревую форсунку с осевым выходным соплом (патент РФ 2061195, 6 F 24 J 3/00), согласно которому средствами подключенной к кавитатору системы при достаточно строго заданном расходе жидкости генерируются колебания давления для интенсификации процесса избыточного тепловыделения.

Задачей данного предложения является упрощение конструкции теплогенератора, повышение его ресурса в условиях действия кавитации и широком диапазоне регулирования расходов жидкости через кавитационный теплогенератор, что необходимо для регулирования выходной тепловой мощности теплогенератора в процессе его эксплуатации.

Данная задача решается в теплогенераторе, сообщенном с насосом-побудителем, выход которого подключен к входному каналу вихревой форсунки, снабженной осевым выходным соплом, тем, что на выходе сопла вихревой форсунки расположен выполненный в виде осесимметричной камеры по меньшей мере один резонатор автоколебаний, а также дополнительно и тем, что выходное сопло форсунки расположено вокруг выходного отверстия первого резонатора, напротив которого расположен второй резонатор, а круговая полость между ними гидравлически сообщена с периферийно расположенной круговой камерой, сообщенной с выходным каналом теплогенератора. При этом по меньшей мере один выполненный в виде глухой или проточной камеры резонатор выполнен с возможностью регулирования его объема для настройки теплогенератора на режим максимального энерговыделения.

Кроме того, по оси теплогенератора в оппозитно расположенных торцах резонаторов могут быть выполнены расположенные на общей оси резонаторов выступы с плавным переходом их основания в торцовые стенки резонаторов, в которых установлены электроды, сообщенные с источником электрического напряжения.

Дополнительный эффект по тепловыделению достигается за счет комбинированного подвода энергии к теплогенератору, а именно за счет подведения электроэнергии к установленным по торцам резонаторов в их центральных выступах электродам, при этом соотношение энергий, подводимых по этим двум каналам, может быть выполнено регулируемым для получения максимальной эффективности теплогенератора.

На фиг. 1-3 даны примеры реализации теплогенераторов кавитационного типа, разъясняющие техническую сущность данного предложения.

Теплогенератор кавитационного типа состоит из вихревой форсунки 1, снабженной камерой закрутки 2 потока, входной канал 3 которой сообщен с выходом насоса-побудителя 4. Форсунка 1 снабжена осевым выходным соплом 5, на выходе которой выполнена камера торможения потока 6, сообщенная с входом насоса-побудителя 4. На выходе сопла 5 расположен выполненный в виде осесимметричной камеры резонатор 7 с расположенным по оси входным отверстием 8, диффузорно переходящим в собственно камеру резонатора 7, выполненную в данном примере реализации с регулируемым объемом посредством установочно-подвижного поршня 9. Камера резонатора 7 снабжена периферийно расположенными выходными каналами 10 и регулируемыми дросселями 11 и 12, один из которых для упрощения конструкции может отсутствовать. Дроссели 11 и/или 12 служат для изменения расхода через резонатор и регулирования рабочего режима теплогенератора.

Насос 4 снабжен регулируемым по оборотам двигателем 13. Повышение эффективности описываемого теплогенератора достигается за счет генерирования резонатором 7 давления с частотой, задаваемой положением поршня 9.

Волны давления, излучаемые резонатором, распространяются по всему ядру потока в сопле 5 и камере резонатора 7, обеспечивая повышение как частоты образования и схлопывания кавитационных каверн в объеме протекающей жидкости, так и интенсивность этих процессов.

При изменении подачи насоса 4 приводом 13 резонатор 7 всегда может быть настроен на режим максимально возможного при заданном расходе тепловыделения.

Повышение ресурса теплогенератора достигается тем, что за счет вихревого движения жидкости образование и схлопывание кавитационных каверн осуществляется в приосевом ядре потока, поэтому стенки как вихревой форсунки, так и резонатора находятся в зоне повышенного давления и поэтому защищены от разрушающего действия давления при схлопывании каверн, происходящем на удалении от стенок.

Торцовая стенка резонатора при этом защищается от разрушения за счет ее выполнения плавно переходящей к периферийной стенке камеры резонатора, а также и за счет наличия центрального осевого выступа 14, направляющего натекающий поток к оси резонатора и далее навстречу этому потоку по оси резонатора.

Возможность регулирования подачи насоса 4 двигателем 13, расходов циркуляции посредством дросселей 11 и 12 и собственной частоты резонатора поршнем 9 обеспечивает широкие возможности настройки кавитационного теплогенератора на оптимальный режим работы и тем самым позволяет получать максимальное отношение выделяемого тепла к подводимой к двигателю 13 энергии, а также обеспечивать регулирование тепловой мощности теплогенератора, что существенно расширяет эксплуатационные возможности теплогенератора.

На фиг. 2 показан пример теплогенератора, где на выходе сопла 5 вихревой форсунки 1 установлены последовательно два резонатора, один из которых выполнен в виде окружающей выход из сопла 5 торообразной осесимметричной камеры 15, гидравлически сообщенной с выходом сопла 5 по своему меньшему диаметру, а другой - в виде расположенной напротив сопла 5 осесимметричной камеры 16 каплеобразной формы с расположенным по оси входным отверстием 8 и выходными отверстиями 10.

Гидравлические камеры 15 и 16 сообщены с входом насоса 4 через регулируемые дроссели 17 и 18, позволяющие изменять соотношение расходов, протекающих через резонаторы 15 и 16. При закрытом дросселе 18 резонатор 16 работает как непроточный резонатор, при этом частота вращения торообразного вихря в резонаторе 15 возрастает. При закрытом дросселе 17 и открытом дросселе 18 рабочий процесс теплогенератора по сравнению с первым случаем существенно изменяется.

Таким образом, регулированием дросселей 17 и 18 может выбираться режим, обеспечивающий максимум тепловыделения при заданной подаче насоса 4. Для минимизации гидравлических потерь выходные патрубки резонаторов расположены навстречу натекающему потоку, т.е. тангенциально к камерам теплогенератора.

На фиг. 3 дан вариант выполнения теплогенератора с двумя расположенными навстречу друг другу резонаторами 19 и 20. Здесь сопло 5 вихревой форсунки 1 расположено вокруг выходного отверстия 21 резонатора 19, напротив которого расположен другой резонатор 20 с входным отверстием 22, соосным с отверстием 21. Полость между отверстиями 20 и 21 гидравлически сообщена с периферийно расположенной круговой камерой 23, сообщенной с выходным каналом 24 теплогенератора. Камера 23 в варианте исполнения может быть также выполнена как торообразный резонатор, показанный на фиг. 2, а выходное отверстие 21 резонатора 19 - как конфузорное сопло, направляющее выходящий поток в центр входного отверстия 22 резонатора 20.

При подаче жидкости во входной канал 3 вихревой форсунки 1 закрученный поток жидкости выходит из сопла 5 в резонатор 19, где у его торцовой стенки поворачивается к оси и выбрасывается через отверстие-сопло 21 в полость резонатора 20 по его оси и далее по периферии отверстия 22 поступает в торообразную камеру 23 и по тангенциально расположенному к камере 23 патрубку 24 выходит из теплогенератора, например, в сепарационную емкость 25 со свободным уровнем жидкости и стабилизированным давлением и затем снова поступает из емкости 25 на вход насоса-побудителя 4. При указанном движении жидкости (или при открытом вентиле 26 - газожидкостной смеси) по оси теплогенератора образуется вихревой жгут, насыщенный кавитационными кавернами, которые за счет взаимодействия встречных вихревых потоков и под действием генерируемых резонаторами колебаний непрерывно по течению потока образуются и охлопываются с большой частотой, определяемой во многом резонаторами 19 и 20, что существенно интенсифицирует кавитационные процессы и тепловыделение в жидкости.

Поскольку по оси вихревого жгута имеет место интенсивная электризация потока за счет взаимного трения частиц пара и газа, выделяемого из жидкости, то этот вихревой жгут имеет небольшое электрическое сопротивление, что позволяет повышать тепловыделение в циркулирующую через теплогенератор жидкость дополнительно за счет пропускания электрического тока по вихревому жгуту, располагаемому между торцовыми стенками оппозитно расположенных резонаторов 19 и 20.

Исходя их этого кавитационный теплогенератор, показанный на фиг. 3, дополнен установленными в торцевые стенки оппозитных резонаторов электродами 27 и 28, сообщенными с источником электрического напряжения 29.

Для снижения износа и обеспечения натекания кавитационного потока на электроды в сторону выходной камеры 23 и патрубка 24 торцовые стенки выполнены плавно переходящими в центральные, направленные навстречу друг другу выступы 30 и 31, в которых и установлены электроды 27 и 28.

Источник напряжения 29 подключается к электродам, например, рубильниками 32, 33 после включения насоса-побудителя 4.

При выполнении источника 29 регулируемым при заданной подаче насоса-побудителя, изменяя силу тока через осевой вихревой жгут, обеспечивают максимум тепловыделения из теплогенератора по отношению к суммарным затратам энергии, подводимой к теплогенератору.

Формула изобретения

1. Теплогенератор кавитационного типа, сообщенный с насосом-побудителем, выход которого подключен к входному каналу вихревой форсунки, снабженной осевым выходным соплом, отличающийся тем, что на выходе сопла расположен выполненный в виде осесимметричной камеры по меньшей мере один резонатор автоколебаний.

2. Теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что выходное сопло вихревой форсунки расположено вокруг выходного отверстия первого резонатора, напротив которого расположен второй резонатор, а полость между ними гидравлически сообщена с периферийно расположенной круговой камерой, сообщенной с выходным каналом теплогенератора.

3. Теплогенератор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что по меньшей мере один резонатор выполнен с регулируемым объемом.

4. Теплогенератор по п. 2, отличающийся тем, что по оси теплогенератора в оппозитно расположенных торцах резонаторов выполнены расположенные на общей оси резонаторов выступы с плавным переходом их основания в торцовые стенки резонаторов, в которых установлены электроды, сообщенные с источником электрического напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3