Вихревой теплогенератор гидросистемы
Изобретение относится к теплотехнике, в частности к нагревательным устройствам, работающим на принципе нагрева жидкости за счет происходящих в ней вихревых и кавитационных процессов, и может быть также использовано для разогрева химических реакторов и интенсификации химических реакторов. Сущность изобретения в том, что в вихревом теплогенераторе гидросистемы, содержащем приводной насосный источник потока жидкости, выход из которого сообщен с соплом, расположенным в периферийной области большего диаметра конусообразного соплового аппарата, по меньшей мере, один выходной канал которого через внешнюю гидросистему сообщен с всасывающим каналом насосного источника потока жидкости, насосный источник потока жидкости выполнен в виде рабочего колеса по типу колеса центробежного насоса с покрывными дисками, установленного в сопловом аппарате в зоне его наибольшего диаметра, выходное сечение рабочего колеса перекрыто ободом с образованием периферийной кольцевой камеры высокого давления внутри колеса, а сопло выполнено в, по меньшей мере, одной торцевой стенке кольцевой камеры колеса на ее периферии в виде рассредоточенных по периферийному диаметру кольцевой камеры проходных дросселирующих каналов. Для повышения всасывающей способности рабочего колеса при работе на двухфазной жидкости предусмотрены дросселирующие распылительные каналы, сообщающие внутреннюю полость соплового аппарата с входным участком лопастной системы рабочего колеса, а для повышения энергоэффективности на периферии колеса на его диаметре, меньшем диаметра расположения сопла, установлены дополнительные выступы и акустические резонаторы. В целом указанные выше признаки улучшают энергетические и массогабаритные характеристики теплогенератора, позволяют широко использовать серийно выпускаемые рабочие колеса, детали и узлы типовых центробежных насосов. 15 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится преимущественно к теплотехнике, в частности к нагревательным устройствам, работающим на принципе нагрева жидкости за счет происходящих в ней вихревых и кавитационных процессов, но также может быть использовано для разогрева химических реакторов или смешения, разогрева и интенсификации химических реакций между жидкими компонентами, проходящими через теплогенератор в технологических процессах и гидросистемах различного назначения.
Известен генератор тепла, содержащий вихревую камеру, сообщенную с приводным насосом и снабженную дополнительным контуром циркуляции жидкости через вихревую камеру [1].
Недостатком известного устройства является его громоздкость и необходимость использования внешнего насоса и трубопроводов для его соединения с насосом.
Известен также теплогенератор с корпусным высокоэффективным коническим струйным аппаратом, обеспечивающим тангенциальный подвод жидкости под некоторым углом ψ через закрепленное в корпусе сопло, сообщенное с выходом насосом приводимым двигателем. Конический сопловой аппарат имеет расположенный в его в минимальном по сечению торце выходной канал, сообщенный через гидросистему со всасывающим патрубком насоса [2].
Недостатки данного устройства аналогичны недостаткам устройства [1]. Наличие единственного сопла, подающего жидкость в конический сопловой аппарат, ограничивает возможную мощность преобразования энергии жидкости в тепло из-за неэффективности организации вихревого движения жидкости в коническом аппарате при вхождении в него струи большого диаметра, а также потерь энергии в жидкости в рабочем процессе насоса и трубопроводах, связывающих насос с соплом. Наличие единственного сопла ограничивает также возможность варьирования углом ψ и технически затрудняет получение высоких скоростей циркуляции потока жидкости во входном сечении конического аппарата.
Целью изобретения является улучшение как энергетических характеристик при преобразовании механической энергии приводного двигателя в тепло, так и массогабаритных характеристик теплогенератора при одновременно упрощении конструкции теплогенератора и себестоимости его изготовления в целом.
Указанная цель достигается тем, что:
- вихревой теплогенератор гидросистемы, содержащий приводной насосный источник потока жидкости, выход из которого сообщен с соплом, расположенным в периферийной области большего диаметра конусообразного соплового аппарата, по меньшей мере один выходной канал которого через внешнюю гидросистему сообщен с всасывающим каналом насосного источника потока жидкости, в котором насосный источник потока жидкости выполнен в виде рабочего колеса по типу колеса центробежного насоса с покрывными дисками, установленного в сопловом аппарате в зоне его наибольшего диаметра, выходное сечение рабочего колеса перекрыто ободом с образованием периферийной кольцевой камеры высокого давления внутри колеса, а сопло выполнено в по меньшей мере одной торцевой стенке кольцевой камеры колеса на ее периферии в виде рассредоточенных по периферийному диаметру кольцевой камеры проходных дросселирующих каналов;
- входное сечение рабочего колеса выполнено со стороны расположения приводного вала этого колеса;
- входное сечение рабочего колеса выполнено со стороны внутренней полости соплового аппарата;
- сопловые аппараты расположены с обеих торцевых сторон рабочего колеса;
- выходной канал соплового аппарата выполнен в его торце малого диаметра;
- выходной канал соплового аппарата выполнен в зоне между ободом рабочего колеса и торцем соплового аппарата малого диаметра;
- внутренняя полость соплового конического аппарата, прилегающая к его оси, гидравлически сообщена с входным сечением рабочего колеса через по меньшей мере один дополнительный дросселирующий канал;
- дополнительный по меньшей мере один дросселирующий канал выполнен соосно оси соплового аппарата и совместно с всасывающим каналом образует камеру смешения потоков, поступающего из внешней гидросистемы по всасывающему каналу, и потока внутренней циркуляции соплового аппарата, поступающего через указанный дросселирующий канал;
- внутренняя полость соплового аппарата сообщена с рабочим колесом дополнительными выходящими в зону расположения соединяющих покрывные диски лопаток распылительными дросселирующими каналами,
- в зоне малого диаметра соплового аппарата установлен по меньшей мере один аккустический резонатор;
- в зоне малого диаметра соплового аппарата установлен электрод, сообщенный с электрогенератором электромагнитного воздействия на поток жидкости, например импульсный генератор высокого напряжения;
- рассредоточенное по периферийному диаметру кольцевой камеры рабочего колеса сопло выполнено объединенным в общую кольцевую профилированную щель, например, диффузорного типа;
- рассредоточенное по периферийному диаметру кольцевой камеры рабочего колеса сопло выполнено в виде профилированных дросселирующих отверстий или пазов, направляющих поток жидкости относительно вектора окружной скорости под углом 90°±Δψ, где Δψ лежит в диапазоне +80°...-30°, исходя из условия обеспечения максимальной энергоэффективности и необходимого напора между выходным каналом соплового аппарата и всасывающим каналом рабочего колеса;
- на периферии рабочего колеса выполнены отклоняющие поток жидкости выступы и акустические резонаторы;
- на по меньшей мере одном покрывном диске рабочего колеса в его зоне, прилегающей к оси соплового аппарата, выполнена дополнительная лопастная система взаимодействия с потоком рециркуляции внутренней полости соплового аппарата;
- сопловой аппарат снабжен по меньшей мере двумя всасывающими и двумя и двумя выходными каналами для подключения внешних гидросистем и регулирования потока рециркуляции жидкости через внутреннюю полость соплового аппарата.
На фиг.1 и 2 даны принципиальные схемы предложенного устройства; на фиг.3 и 4 - технические решения вариантов выполнения с примерами подключения внешних гидросистем; на фиг.5 и 6 даны варианты выполнения резонаторов и возбудителей колебания молекул жидкости внутри устройства; на фиг.7...9 - варианты выполнения рабочего насосного органа с различными типами сопел.
Вихревой теплогенератор, см. фиг.1, в основном состоит из рабочего колеса 1 по типу закрытого рабочего колеса центробежного насоса с покрывными дисками 2 и 3. Диск 2 выполнен со стороны входного сечения 4 рабочего колеса. Выходное сечение колеса 1 перекрыто ободом 5, что совместно с покрывными дисками 2 и 3 образует внутреннюю периферийную кольцевую камеру 6 высокого давления. На торцевой стенке камеры 6 на ее периферии выполнено сопло в виде рассредоточенных по периферийному диаметру камеры 6 проходных дросселирующих каналов 7. Рабочее колесо 1 как источник энергии потока жидкости установлено в сопловом конусообразном аппарате 8 в зоне его наибольшего диаметра и сообщено валом 9 с приводным двигателем (двигатель на фиг.1 не показан). Выходной канал 10 соплового аппарата 8, расположенный в его торце малого диаметра, сообщен с внешней гидросистемой 11 отбора тепла, выход из которой сообщен с всасывающим каналом 12 соплового аппарата 8, подводящим жидкость к входному сечению 4 рабочего колеса 1.
В данном варианте выполнения входное сечение 4 рабочего колеса 1 выполнено со стороны расположения приводного вала 9.
На фиг.2, 3 и 4 даны варианты выполнения, когда входное сечение 4 рабочего колеса 1 расположено со стороны внутренней полости 13 соплового аппарата 8.
На фиг.2 теплогенератор снабжен дополнительным конусообразным сопловым аппаратом 14, расположенным оппозитно аппарату 8 с другой торцевой стороны рабочего колеса 1. В этом случае сопла 7 могут выполняться с двух торцевых сторон камеры 6 высокого давления рабочего колеса 1.
Выходной канал 10 соплового аппарата для повышения напора между ним и всасывающим каналом 12 может также выполняться в зоне соплового аппарата 8 между местом расположения обода 5 рабочего колеса 1 и торцем соплового аппарата малого диаметра, см., например, фиг.2, 3 и 4, где показаны дополнительные выходные каналы 15 для подключения внешней гидросистемы сложной структуры, например, предусматривающей отопление, горячее водоснабжение и наличие источника горячей, например, воды под повышенным давлением из первичного внутреннего контура соплового аппарата - полости 13.
Для обеспечения потока внутренней циркуляции между рабочим колесом и внутренней полостью 13 соплового аппарата 8 внутренняя полость 13, прилегающая к оси соплового аппарата, сообщена с входным сечением 4 колеса 1 через по меньшей мере один дополнительный дросселирующий канал 16 или/и 17, см. фиг.2, а также 17 и 18, см. фиг.3 и 4.
Дополнительные каналы 17 и 18, выполненные соосно оси соплового аппарата 8, образуют совместно с всасывающим каналом камеру смешения 19 потока рециркуляции и потока, поступающего к теплогенератору из внешней гидросистемы 11 (на фиг.2 и 4 показаны примеры технических решений гидросистемы из множества возможных вариантов).
Внутренняя полость 13 соплового аппарата 8 в варианте исполнения может быть также сообщена с рабочим колесом 1 дополнительными выходящими в зону лопаток 20, дополнительными распылительными дросселирующими каналами 21, что снижает вероятность срыва рабочего режима колеса 1 в зоне высоких температур, когда рабочая жидкость на входе колеса имеет двухфазную (пар-жидкость) структуру.
Для повышения эффективности работы в зоне малого диаметра соплового аппарата 8 может быть установлен по меньшей мере один акустический резонатор, например, выполненный в виде снабженной вихреобразующими канавками и камерами шайбы 22, см. фиг.3, или резонирующей емкости 23 переменного объема или трубчатых отводов 25, сообщенных с выходными каналами 10 аппарата 8, см. фиг.4. На фиг.5 и 6 даны дополнительные варианты резонаторов 26 и 27, установленных (как и резонатор 24 на фиг.4) навстречу натекающему потоку и отражающих этот поток по оси аппарата 8 к рабочему колесу 1, что интенсифицирует процесс волнового динамического воздействия на жидкость.
С целью дополнительного усиления динамического резонансного воздействия на жидкость в зоне малого диаметра соплового аппарата 8 установлен электрод 28, сообщенный с электрогенератором 29 электромагнитного воздействия на поток жидкости, например импульсный генератор высокого напряжения и регулируемой частоты.
Описываемый вихревой теплогенератор обеспечивает эффективную работу при различных видах конструктивного выполнения рассредоточенного по периферийному диаметру кольцевой камеры 6 колеса 1 сопла 7, выполненного на по меньшей мере одной торцевой стенке камеры 6. В простейшем варианте сопло 7 выполнено объединенным в общую кольцевую профилированную щель 30, например, диффузорного типа, как показано на фиг.7, в виде плоской щели, щели по типу сопла Вентури или в виде конфузора. Такие сопла технологичны и просты в изготовлении, минимизируют внешнюю виброактивность теплоагрегата, но часто оптимальны для реализации ограниченных задач по применению теплогенератора. Оптимальное решение ряда задач, например обеззараживание жидкости, обеспечение интенсивного смешения жидкостей и твердых частиц для интенсификации химических процессов, решение задач очистки внешней гидросистемы или содержащихся в ней деталей, а также и задачи повышения надежности при работе на загрязненных жидкостях предпочтительно решать при выполнении сопла в виде профилированных дросселирующих отверстий 31, каналов 32, или пазов 33, см. фиг.8 и 9, направляющих поток жидкости WΔψ относительно вектора окружной скорости UD под углом 90°+Δψ, где Δψ лежит в диапазоне +80°...-30°, исходя из условия обеспечения максимальной энергоэффективности и необходимого напора между выходным каналом 10 соплового аппарата и всасывающим каналом 12 рабочего колеса 1.
В вариантах исполнения на периферии рабочего колеса выполнены отклоняющие поток жидкости выступы 34 и дополнительные акустические резонаторы в виде камер 35 или вихреобразующих пазов 36, см. фиг.7 и 8, непосредственно воздействующие на поток жидкости WΔψ, выходящий из сопла в форме щели 30, отверстий 31, каналов 32 или пазов 33. В простейшем случае Δψ=0. При Δψ>0 увеличивается тангенциальная составляющая скорости потока, поступающего в сопловой аппарат 8, и тем самым увеличивается частота вращения жидкости во внутренней полости 13 соплового аппарата, см. диаграмму скоростей на фиг.9. При Δψ<0 увеличивается напор между каналами 10 и 12. В целом, изменение величины Δψ позволяет корректировать тепловые и гидравлические рабочие параметры теплогенератора и гидросистемы.
Для получения дополнительного силового воздействия между рабочим колесом 1 и потоком циркуляции в полости 13 соплового аппарата 8 по меньшей мере на одном покрывном диске рабочего колеса выполнены дополнительные лопатки 37 для передачи на колесо крутящего момента за счет торможения вращающегося в полости 13 рециркулирующего потока жидкости и улучшения тем самым энергетических характеристик вихревого теплогенератора в целом, см. фиг.1, 4.
Для удобства подключения теплогенератора к различным подсистемам внешней гидросистемы сопловой аппарат может быть снабжен двумя или более всасывающими 12 и выходными 10, 15 каналами.
Теплогенератор работает следующим образом.
После подключения каналов 10 и 12 теплогенератора к внешней гидросистеме 11, см. фиг.1, заполнения ее теплоносителем, например водой, и удаления воздуха из полости 13 и гидросистемы приводным двигателем вращают вал 9 рабочего колеса 1. При этом в камере 6 возникает давление и через сопло 7 в сопловой аппарат 8 с высокой окружной скоростью поступает жидкость, движущаяся в направлении минимального диаметра соплового аппарата. Одна часть расхода жидкости поступает через канал 10 в гидросистему 11 и затем возвращается во всасывающий канал 12 и далее в рабочее колесо 1, а другая часть расхода, имеющая повышенную угловую скорость вращения, движется по оси соплового аппарата к колесу 1 навстречу периферийному потоку в камере 13 и через дросселирующие каналы 16 (21) поступает во входной участок этого колеса 1, создавая внутренний поток рециркуляции жидкости в камере 13. Такой характер движения вызывает непрерывное тепловыделение в жидкости за счет вихревых и кавитационных процессов в ней, которое интенсифицируется за счет действия резонаторов 24, 26, 27, 35, вызывающих волновое колебательное возбуждение молекул жидкости, а также вихреобразующих выступов 34 на рабочем колесе 1, снижающих давление на выходе из сопла 7, выполняемого в вариантах исполнения, показанных на фиг.1, 2, 4, 7...9. Интенсивность тепловыделения задается также заданием отношений между величинами расхода внутренней циркуляции в теплогенераторе и расхода циркуляции через внешнюю гидросистему, что обеспечивается заданием гидравлических сопротивлений этих контуров известными в гидравлике средствами. Интенсивность тепловыделения. К теплогенератору возможно подключение гидросистем различного применения и структуры. Камера смешения 19 и каналы 16 и 21 повышают всасывающую способность колеса при работе на двухфазной жидкости.
Например, на фиг.3 сопловой аппарат 8 через резонатор 22 и осевой трубопровод 10 сообщен с бойлером 38 по его оси, что в целом сохраняет вихревое движение жидкости на большом участке внешней гидросистемы; к высоконапорному выходному каналу 15 подключен теплообменник 39 воздушного обогрева. К бойлеру 38 подключены система отопления 40 и через дополнительный теплообменник 41 подключен аппарат горячего водоснабжения 42. Одновременно к бойлеру 38 могут быть подключены несколько теплогенераторов с целью резервирования и регулирования потока тепла, подаваемого в гидросистему.
При наличии источника электрической энергии 29 постоянного или переменного тока 29 дополнительный регулируемый разогрев жидкости осуществляется за счет прохождения электрического тока через центральное ионизированное ядро потока циркуляции жидкости в полости 13 соплового аппарата 8. При выполнении источника 29 в виде генератора высокой частоты обеспечивается высокочастотное воздействие на поток жидкости в полости 13, что способствует повышению энергоэффективности. В гидросистеме следует иметь постоянно действующий газовый сепаратор для вывода газа (воздуха) из гидросистемы, а также устройства для стабилизации давления, см., например, блок 43 с редуктором и предохранительным клапанами на фиг.3.
При наличии дополнительной лопаточной системы 37 и/или выполнении канала 16, непосредственно подводящего жидкость (без потери ее циркуляции) на вход основной лопастной системы рабочего колеса, см. фиг.4, осуществляется частичная разгрузка по моменту приводного вала 9, что способствует повышению энергоэффективности и надежности теплогенератора.
Описанный вихревой теплогенератор имеет простую конструкцию и может выполняться на базе серийно выпускаемых рабочих органов, корпусных элементов и опорных узлов центробежных насосов, что снижает производственные затраты и позволяет выполнять теплогенераторы на различные мощности как в моноблочном высококомпактном исполнении, так и вариантах исполнения на раме с соединением валов приводного двигателя и вала рабочего колеса посредством известных в гидромашиностроительной технике типов муфт.
Источники информации
1. Потапов Ю.С. Теплогенератор и устройство для нагрева жидкости. Патент РФ 2045715, 1995 г., Бюл. №28.
2. Котельников В.П. Теплогенератор. Патент РФ 2161289, 2000 г.
1. Вихревой теплогенератор гидросистемы, содержащий приводной насосный источник потока жидкости, выход из которого сообщен с соплом, расположенным в периферийной области большего диаметра конусообразного соплового аппарата, по меньшей мере, один выходной канал которого через внешнюю гидросистему сообщен с всасывающим каналом насосного источника потока жидкости, отличающийся тем, что насосный источник потока жидкости выполнен в виде рабочего колеса по типу колеса центробежного насоса с покрывными дисками, установленного в сопловом аппарате в зоне его наибольшего диаметра, выходное сечение рабочего колеса перекрыто ободом с образованием периферийной кольцевой камеры высокого давления внутри колеса, а сопло выполнено в по меньшей мере одной торцевой стенке кольцевой камеры колеса на ее периферии в виде рассредоточенных по периферийному диаметру кольцевой камеры проходных дросселирующих каналов.
2. Вихревой теплогенератор гидросистемы по п.1, отличающийся тем, что входное сечение рабочего колеса выполнено со стороны расположения приводного вала этого колеса.
3. Вихревой теплогенератор гидросистемы по п.1, отличающийся тем, что входное сечение рабочего колеса выполнено со стороны внутренней полости соплового аппарата.
4. Вихревой теплогенератор гидросистемы по п.1, отличающийся тем, что сопловые аппараты расположены с обеих торцевых сторон рабочего колеса.
5. Вихревой теплогенератор гидросистемы по п.1, отличающийся тем, что выходной канал соплового аппарата выполнен в его торце малого диаметра.
6. Вихревой теплогенератор гидросистемы по п.1, отличающийся тем, что выходной канал соплового аппарата выполнен в зоне между ободом рабочего колеса и торцом соплового аппарата малого диаметра.
7. Вихревой теплогенератор гидросистемы по п.1, отличающийся тем, что внутренняя полость соплового конического аппарата, прилегающая к его оси, гидравлически сообщена с входным сечением рабочего колеса через, по меньшей мере, один дополнительный дросселирующий канал.
8. Вихревой теплогенератор гидросистемы по любому из п.3 или 7, отличающийся тем, что дополнительный, по меньшей мере, один дросселирующий канал выполнен соосно оси соплового аппарата и совместно с всасывающим каналом образует камеру смешения потоков, поступающего из внешней гидросистемы по всасывающему каналу, и потока внутренней циркуляции соплового аппарата, поступающего через указанный дросселирующий канал.
9. Вихревой теплогенератор гидросистемы по п.1, отличающийся тем, что внутренняя полость соплового аппарата сообщена с рабочим колесом дополнительными выходящими в зону расположения соединяющих покрывные диски лопаток распылительными дросселирующими каналами.
10. Вихревой теплогенератор гидросистемы по п.1, отличающийся тем, что в зоне малого диаметра соплового аппарата установлен, по меньшей мере, один аккустический резонатор.
11. Вихревой теплогенератор гидросистемы по п.1, отличающийся тем, что в зоне малого диаметра соплового аппарата установлен электрод, сообщенный с электрогенератором электромагнитного воздействия на поток жидкости, например импульсный генератор высокого напряжения.
12. Вихревой теплогенератор гидросистемы по п.1, отличающийся тем, что рассредоточенное по периферийному диаметру кольцевой камеры рабочего колеса сопло выполнено объединенным в общую кольцевую профилированную щель, например, диффузорного типа.
13. Вихревой теплогенератор гидросистемы по п.1, отличающийся тем, что рассредоточенное по периферийному диаметру кольцевой камеры рабочего колеса сопло выполнено в виде профилированных дросселирующих отверстий или пазов, направляющих поток жидкости относительно вектора окружной скорости под углом 90°±Δψ, где Δψ лежит в диапазоне +80...-30°, исходя из условия обеспечения максимальной энергоэффективности и необходимого напора между выходным каналом соплового аппарата и всасывающим каналом рабочего колеса.
14. Вихревой теплогенератор гидросистемы по п.1, отличающийся тем, что на периферии рабочего колеса выполнены отклоняющие поток жидкости выступы и аккустические разонаторы.
15. Вихревой теплогенератор гидросистемы по п.1, отличающийся тем, что на, по меньшей мере, одном покрывном диске рабочего колеса в его зоне, прилегающей к оси соплового аппарата, выполнена дополнительная лопастная система взаимодействия с потоком рециркуляции внутренней полости соплового аппарата.
16. Вихревой теплогенератор гидросистемы по п.1, отличающийся тем, что сопловой аппарат снабжен, по меньшей мере, двумя всасывающими и двумя выходными каналами для подключения внешних гидросистем и регулирования потока рециркуляции жидкости через внутреннюю полость соплового аппарата.
