Устройство для нагрева воды

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в компактных, в том числе перевозимых, автономных системах отопления и горячего водоснабжения. Устройство для нагрева жидкости содержит теплогенератор насосного типа, состоящий из корпуса, имеющего цилиндрическую часть, и расположенные в корпусе, по меньшей мере, одно средство для ускорения движения жидкости, выполненное в виде рабочего колеса, состоящего из двух дисков заданного профиля с возможностью вращения его под действием привода, и диска в виде плоского кольца, закрепленного внутри цилиндрической части корпуса в зоне вращения рабочего колеса, коаксиально ему, одно средство для торможения движения жидкости в виде конусного спрямляющего аппарата с расположенными вертикально к стенкам конуса пластинами, и систему теплообмена, подключенную к нагнетательному патрубку и к насосу. Диски рабочего колеса при их соединении боковыми поверхностями образуют сопла, расположенные ближе к его торцу. Рабочее колесо и неподвижный диск прилегающими между собой торцевыми канавками-спиралями, расположенными оппозитно, под углом к радиусу окружности, ограничивающей внешние торцы канавок, образуют щель переменного сечения для всасывания через сопла и подачи потребителям подогретой жидкости. В частном случае реализации изобретения рабочее колесо может быть установлено с возможностью регулирования зазоров между его боковыми поверхностями и крышками входа и выхода теплогенератора. Изобретение позволяет повысить эффективность, стабильность и регулируемость процесса нагрева жидкости, КПД и коэффициент использования мощности привода. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в автономных системах отопления и горячего водоснабжения. Известны устройства-аналоги, использующие изменения физико-механических параметров рабочей среды, например давления, объема и скорости течения, для получения тепловой энергии: ультразвуковой активатор (патент PФ №2054604 от 20.02.1996 г.), устройство для нагрева жидкости (патент РФ №2162571 от 27.01.2001 г.).

Устройство (патент №2054604) содержит две или более соединенные последовательно рабочие камеры, в каждой из которых установлены рабочие колеса центробежного насоса, скрепленные на периферии роторами в виде перфорированных колец, коаксиально которым в корпусах рабочих камер напротив каждого ротора закреплен статор. Рабочие камеры сообщены между собой посредством диффузоров. Последняя рабочая камера соединена с первой камерой циркуляционным контуром, снабженным дроссельным элементом.

Недостатки известного устройства: нетехнологичность единовременной сборки ротора, деталей корпуса, статора; трудность обеспечения взаимной центровки сопрягаемых деталей. Установка неподвижного рабочего органа на выходе подвижного рабочего органа приводит к передаче всего напора рабочего колеса на небольшом участке неподвижного рабочего органа, что вызывает повышенный его износ.

Устройство для нагрева жидкости (патент №2162571) содержит теплогенератор, состоящий из корпуса, имеющего цилиндрическую часть с двумя встроенными тормозными системами, и ускорителя движения жидкости, выполненного в виде циклона (камеры закрутки), насос, соединенный с теплогенератором посредством инжекционного патрубка, и систему теплообмена.

Недостатками известного устройства являются: нестабильная теплопроизводительность теплогенератора; недополучение потенциально достижимого тепла на его выходе из-за наличия двух последовательно соединенных тормозных систем, значительные габариты, металлоемкость и стоимость, вызванные большой длиной цилиндрического корпуса теплогенератора.

В качестве наиболее близкого к изобретению по совокупности существенных признаков технического решения - прототипа принят теплогенератор приводной кавитационный, включающий корпус, в котором расположены относительно подвижные органы, вход и выход которых гидравлически сообщены посредством циркуляционного канала с дросселирующим элементом. Рабочие органы, по меньшей мере, один из которых связан с приводным двигателем, выполнены в виде оппозитно расположенных дисков, установленных с гарантированным зазором между их торцами (патент РФ №2201562, кл. F 24 J 3/ 00 от 27.03.2003 г.).

В данном теплогенераторе подвижный диск закреплен на торце вала электропривода, образуя консольную конструкцию, что при вращении вала и диска с большой скоростью для формирования интенсивных вихрей в полости с оппозитно закрепленным диском вызывает большие осевые нагрузки и биения подшипников, что, в свою очередь, изменяет требуемый зазор между торцами подвижного (“консольного”) и неподвижного дисков, приводит к нарушению дросселирующего и циркуляционного эффекта, особенно при больших тепловых мощностях, к снижению теплопроизводительности и надежности теплогенератора.

Требуемый технический результат изобретения заключается в обеспечении стабильной теплопроизводительности за счет создания условий возникновения устойчивой гидродинамической кавитации при упрощении конструкции теплогенератора и технологии его изготовления до уровня, обеспечивающего эффективность его применения с приводными двигателями от 7,5 до 160 кВт при одновременном повышении КПД, коэффициента преобразования энергии привода, надежности, улучшении условий эксплуатации и ремонта, снижении массогабаритных размеров, ограниченных, например, размерами перевозимого прицепа, кунга, контейнера.

Требуемый технический результат изобретения достигается новым устройством нагрева воды, содержащим теплогенератор насосного типа, состоящий из корпуса с всасывающим (входным) патрубком для тангенциального подвода и нагнетательным (выходным) патрубком для горизонтального отвода жидкости к потребителям и расположенные в корпусе, по меньшей мере, одно средство для ускорения движения жидкости, выполненные в виде рабочего колеса, установленного с возможностью вращения под действием привода, и одно средство для торможения движения жидкости, выполненное в виде конусного спрямляющего аппарата с пластинами, расположенными параллельно стенкам конуса.

Рабочее колесо центробежного типа состоит из двух постоянно скрепленных поперечными стяжками дисков, первый из которых на вертикальной к оси вращения плоскости, ближе к его торцу, содержит ускоряющие жидкость равномерно распределенные по окружности ребра, ниже которых, параллельно оси вращения, выполнены сквозные отверстия для сообщения рабочих полостей теплогенератора. Второй диск выполнен в виде плоского по вертикали кольца, обладающего возможностью его накладки на ребра первого диска. Для этого его плоскость, прилегающая к ребрам первого диска, выполнена под некоторым углом к вертикальной плоскости.

Путем технологического соединения боковыми прилегающими внутренними плоскостями двух дисков в рабочее колесо, почти на одном радиусе с его сквозными отверстиями, образуются под некоторым углом к боковой поверхности рабочего колеса сопла с сечением, уменьшающемся к его периферии, являющиеся ускорителями движения жидкости, у выхода которых находятся зоны резкого повышения скорости и давления жидкости.

На торцевой окружности рабочего колеса выполнено несколько наружных каналов-спиралей с канавками, расположенных под некоторым углом к вертикальной оси колеса, обеспечивающих максимальную скорость закручивания и движения воды к периферии корпуса.

Во внутреннюю поверхность корпуса в зоне вращения рабочего колеса, коаксиально ему, впрессован диск в виде плоского к оси вращения кольца с расположенными на его внутренней поверхности такими же спиралями с канавками, образуя с канавками спиралей рабочего колеса узкую щель переменного сечения для прохода выталкиваемой из сопел жидкости, ее сжатия, ускорения и нагрева. Рабочее колесо установлено на валу приводного электродвигателя с возможностью регулирования зазоров “а” и “б” между его боковыми поверхностями и крышками входа и выхода теплогенератора за счет перемещения рабочего колеса вдоль вала (Фиг.1). Вращающееся рабочее колеса со спиралями на торце, неподвижный диск со спиралями, выполненными оппозитно спиралям рабочего колеса, их канавки и щель между ними выполняют роль кавитатора, обеспечивающего интенсификацию процесса образования тепла при схлопывании кавитационных каверн вращающейся жидкости.

Диаметр рабочего колеса, расстояния его от торцевых крышек входа и выхода корпуса, размеры пазов и щели определяются тепловой мощностью устройства.

На входе в корпус нет тормозного устройства, чем обеспечивается быстрое повышение окружной скорости тангенциально подаваемой через всасывающий патрубок жидкости по направлению вращения рабочего колеса для закручивания и последующего ускорения путем всасывания из полостей корпуса воды через сопла вращающихся дисков и резкого нагрева при дополнительном сжатии при прохождении через щель.

Повышению эффективности нагрева жидкости способствует тормозное устройство, установленное на выходе теплогенератора, связанное через нагнетательный патрубок магистралью с теплообменником.

Для ускорения разогрева системы теплообмена и экономии электроэнергии к магистрали теплообменника присоединен тепловой аккумулятор, вмещающий необходимый объем воды, нагреваемой теплогенератором в ночное время при низком тарифе на электроэнергию. Устройство для нагрева жидкости может работать в автоматическом режиме, для чего оснащается микропроцессорным программируемым измерителем-регулятором давления совместно с входным термопреобразователем для измерения температуры, давления и расхода воды с помощью стандартных датчиков.

Заявляемое техническое решение отличается от аналогов и прототипа наличием новых элементов: рабочего колеса из двух дисков специального профиля, содержащего на торце спирали с канавками и сопла, неподвижного диска со спиралями с канавками тангенциональный всасывающий патрубок, одно тормозное устройство на выходе и их связи с остальными элементами устройства. На входе теплогенератора отсутствует тормозное устройство.

Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию “новизна”.

Сравнение заявляемого решения с другими аналогичными решениями показывает, что рабочие колеса с лопастями, лопастными элементами и пазами (канавками) между ними известны, например в теплогенераторе для нагрева жидкости (патент №2197688 от 27.01.2003 г.). Однако эти элементы не имеют на рабочих колесах спиралей с канавками и сопел, втягивающих, закручивающих и ускоряющих движение жидкости, чтобы достичь необходимый технический результат. Таким образом, заявляемое техническое устройство соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Заявляемое устройство содержит в своем составе стандартные блоки теплотехники, гидравлики, электротехники и автоматики. Следовательно, изобретение соответствует критерию “промышленная применимость”.

На Фиг.1-6 даны примеры выполнения описываемого устройства и его рабочих органов и фото 1, 2, 3 (справочные).

На Фиг.1 и 2 изображены продольный и поперечный разрезы теплогенератора, состоящего из следующих деталей:

1 - корпус, имеющий цилиндрическую часть;

2 - крышка входа;

3 - крышка выхода;

4 - рабочее колесо;

5 - диск-кольцо;

6 - конусный спрямляющий аппарат;

7 - пластины;

8 - всасывающий (входной) патрубок;

9 - отверстие всасывающего патрубка;

10 - всасывающая полость;

11 - отверстие фасолевидное;

12 - нагнетательный патрубок;

13 - вал.

На Фиг.3 показан поперечный разрез рабочего колеса, состоящего из деталей:

20 - диск с ребрами;

21 - диск-накладка;

22 - ребро;

23 - сопло;

24 - отверстие сквозное;

25 - канавки.

На Фиг.4 изображено рабочее колесо в сборе с видом а) торца со спиралями 26 и б) плана.

На Фиг.5 показан поперечный разрез неподвижного диска 5, впрессованного во внутреннюю поверхность цилиндрической части корпуса 1, с пазами 27.

На Фиг.6 изображены условия возникновения трения жидкости в зонах В и Г вращения рабочего колеса.

Теплогенератор соединен через вал 13 с электродвигателем 28 и с системой теплообмена, включающей в себя магистрали, запорно-регулировочные клапаны 14, 15, 29, теплообменник 16, расширительный бак 17, насос 18, тепловой аккумулятор 30.

Работает устройство для нагрева жидкости следующим образом.

При включении насоса 18 жидкость, например вода, через всасывающий патрубок 8, входное отверстие 9 корпуса 1 под давлением 5-6 атм подается во всасывающую полость 10 тангенциально к горизонтальной оси теплогенератора (Фиг.1 и 2). При включении двигателя 28 за счет вращения рабочего колеса 4 через вал 13 возникает циркуляция воды от полости 10 через сквозные отверстия 24 (Фиг.3 и 4) рабочего колеса, отверстия 11 крышки выхода 3 теплогенератора, конусный спрямляющий аппарат 6, нагнетательный патрубок 12 к теплообменнику 16. Одновременно за счет закрутки воды ребрами 22 и спиралями 26 рабочего колеса (Фиг.3) в его периферийной зоне осуществляется циркуляция воды через щель 19, образованную канавками 25 спиралей 26 вращающихся дисков 20 и 21 и канавками 27 неподвижного диска 5 (Фиг.5), увеличивая силу трения потока воды по боковым плоскостям рабочего колеса в зонах В и Г (Фиг.6). При этом частицы воды, прилегающие к рабочему колесу, под действием развиваемой им центробежной силы за счет ребер 22 диска 20, стремятся к периферии внутренней части корпуса 1, а частицы, прилегающие к его крышкам входа 2 и выхода 3, движутся от периферии к центру (Фиг.6). Этим обеспечиваются требуемое давление на входе в сопла 23, способствующее всасыванию ими воды с запасенной кинетической энергией, последующее выталкивание ее в щель 19 и далее через отверстия 11, нагнетательный патрубок 12 в систему теплообмена 16. При встрече частиц воды наступает разрыв сплошности среды, что ведет к образованию гидродинамической кавитации воды с последующим подкипанием жидкости и выделением тепла на границе вращающегося рабочего колеса 4 и неподвижного диска 5 без применения специального кавитатора. Этому режиму соответствуют расчетные значения скорости вращения рабочего колеса, напора воды и внутреннего объема цилиндрического корпуса теплогенератора. Мощность трения рабочего колеса о жидкость можно определить следующим образом (см.Фиг.6).

Элементарная сила трения dR, действующая на элемент поверхности рабочего колеса dF, вращающегося со скоростью U в среде с плотностью γ, равна [1]

где Cƒ - коэффициент трения.

Элементарная мощность трения обеих сторон рабочего колеса dN_g равна

Интегрирование (2) по всей поверхности рабочего колеса с учетом формулы (1) позволяет получить мощность трения в зонах вращающегося рабочего колеса

где D - диаметр рабочего колеса.

Определенная по выражению (3) мощность трения рабочего колеса жидкости эквивалентна тепловой энергии на выходе теплогенератора. Механизм получения тепловой энергии представляет собой так называемый фазовый переход высшего рода [2, 3], т.е. взаимодействие с атомами воды свободных электронов, появляющихся при деструкции воды в процессе кавитации, вырывающих из атома положительно заряженные частицы - электрино, превращающиеся в фотоны, несущие тепло.

Предварительно нагретая вода через отверстия крышки выхода 3 (Фиг.2) поступает в тормозное устройство, содержащее конусный спрямляющий аппарат с пластинами 7, которое обеспечивает создание при торможении жидкости закручивающего момента и зоны гидрокавитации для дальнейшей интенсификации нагрева воды за счет повышения силы ее гидравлического удара о внутреннюю поверхность конусного спрямляющего аппарата и пластины. Затем происходит дальнейшее вытеснение воды к нагревательному патрубку 12, которая, преодолевая сопротивление регулятора давления в клапане 15, направляется в теплообменник 16 и далее в расширительный бак 17 и к насосу 18, обеспечивая обогрев и горячее водоснабжение потребителей, а через клапан 29 при необходимости поступает в тепловой аккумулятор 30. При этом насос 18 необходим только для кратковременного использования при первоначальном заполнении системы теплообмена водой и восполнения ее частичных потерь.

После остановки теплогенератора, а значит, и рабочего колеса необходимая температурная разгрузка внутренней полости устройства для предотвращения подгорания его торцевых уплотнений обеспечивается перетоком жидкости через сквозные отверстия 24 рабочего колеса.

Проведенные на опытных образцах ИНФИКО заявляемого устройства эксперименты и математическое (компьютерное) моделирование элементов теплогенератора [4] позволили установить их оптимальные параметры. Так, для теплогенератора тепловой мощностью 75 кВт максимальные размеры корпуса вместе со спрямляющим аппаратом составляют 560 мм, диаметр рабочего колеса 300 мм, расстояние рабочего колеса от крышек входа и выхода по 62 мм, диаметр его сквозных отверстий 20 мм, распределенных по окружности колеса через 36°, конус спрямляющего аппарата 30°. Каждая спираль рабочего колеса и неподвижного диска выполнена под углом 12° к горизонтальной оси теплогенератора и содержит 95 и 96 канавок с радиусом 2,2 мм в колесе и диске-кольце соответственно, равномерно распределенных по длине спирали.

При изменениях отдельных, указанных выше параметров, в процессе экспериментов наблюдались неустойчивые завихрения в корпусе теплогенератора, которые уносятся в нагнетательный патрубок, что приводит к разрушению устойчивости гидрокавитации жидкости и снижению температуры нагрева воды.

На предприятии ОАО Истринский опытный завод “Углемаш” изготовлен опытный образец заявляемого устройства с использованием возможностей промышленного производства элементов теплогенератора типа ТС-1 с приведенными выше параметрами элементов.

В данном теплогенераторе объединены две функции: нагрев и интенсифицированная подача жидкости в систему теплообмена, а роль кавитатора выполняют вращающееся рабочее колесо, неподвижный диск-кольцо, их спирали с канавками, образующие между колесом и диском щель переменного сечения.

Проведенные испытания этого образца показали, что эффективность нагрева воды возросла в 1,8 раза при той же мощности насоса, электродвигателя и теплопроизводительности в сравнении с аналогами и прототипом.

Кроме того, эксплуатационная надежность заявляемого устройства сохранилась на высоком уровне, поскольку в нем использована лишь одна тормозная система на выходе теплогенератора и отсутствует кавитатор, что позволило снизить его массoгабаритные размеры.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Абианц В.Х. Теория газовых турбин реактивных двигателей. - М: Машиностроение, 1965 г., стр. 219.

2. Андреев Е.А., Смирнов А.П., Давыденко Р.А., Ключерев О.А. Естественная энергетика. - СПб: Нестор, 2000 г., стр. 27-32.

3. Андреев Е.А., Андреев С.Е., Глазырин Е.С. Естественная энергетика-2. - СПб: Невская жемчужина, 2002 г., стр. 25-30.

4. Научно-технический отчет с НИОКР "Разработка устройства для нагрева жидкости". - М.: ЗАО “ИНФИКО”, 2002.

5. Аналоги изобретения:

- RU 2045715 С1, RU 2054604 C1, 20.02.1996 г.;

- RU 2162571 С1, 27.01.2001 г., RU 2160417 С2, 10.12.2000 г.;

- RU 2201562 С2, 27.03.2003 г.

1. Устройство для нагрева жидкости, содержащее теплогенератор насосного типа, состоящий из корпуса, имеющего цилиндрическую часть и расположенные в корпусе, по меньшей мере, одно средство для ускорения движения жидкости, выполненное в виде рабочего колеса, состоящего из одного диска с ребрами и одного диска-накладки с образованными ими соплами по периферии внутренних боковых поверхностей с возможностью вращения его под действием привода и диска в виде плоского кольца, расположенного внутри цилиндрической части корпуса в зоне вращения рабочего колеса коаксиально ему, с образованием щели переменного сечения, которая образована прилегающими между собой радиальными канавками в виде спиралей торцевой поверхности рабочего колеса и внутренней поверхности диска, одно средство для торможения движения жидкости, выполненное в виде конусного спрямляющего аппарата с расположенными вертикально к стенкам конуса пластинами, и систему теплообмена, подключенную к нагнетательному патрубку и к насосу, отличающееся тем, что диск-кольцо установлен неподвижно, а радиальные канавки в виде спиралей, выполненные на торцевой поверхности рабочего колеса и внутренней поверхности неподвижного диска-кольца, расположены оппозитно под углами к радиусу окружности, ограничивающей внешние концы канавок.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диск с ребрами рабочего колеса имеет круглые сквозные отверстия, равномерно распределенные по всей окружности диска с ребрами.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочее колесо установлено с возможностью регулирования зазоров а и б между его боковыми поверхностями и крышками входа и выхода теплогенератора соответственно.

4. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что вращающиеся диски рабочего колеса содержат сопла для всасывания и подачи жидкости в щель.