Вихревой генератор тепла

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 использовано для для нагрева жидкости, а также для интенсификации процессов в гидросистемах различного назначения. Вихревой генератор тепла содержит закрытое лопастное колесо по типу колеса центробежного насоса, выход из которого перекрыт ободом, образующим на периферии рабочего колеса зону высокого давления, которая с торцев колеса снабжена рабочими дросселирующими каналами (в виде профилированных пазов, отверстий, щелей), выбрасывающими жидкость с большой скоростью в тангенциальном направлении под заданным углом к вектору угловой скорости в расположенные с торцев рабочего колеса тороидальные вихревые камеры, сообщенные через дополнительные дросселирующие каналы с входной зоной лопаток рабочего колеса. Гидравлическая связь рабочих полостей генератора с внешней гидросистемой отбора тепла преимущественно осуществляется через выходной кольцевой канал, расположенный вокруг обода рабочего колеса, и входной канал, соосный входному центральному отверстию рабочего колеса, причем тороидальные вихревые камеры снабжены дополнительными источниками высокочастотного возбуждения жидкости. Такое выполнение генератора упрощает конструкцию, улучшает ее энергетические и массо-габаритные характеристики, позволяет использовать серийно выпускаемые рабочие колеса, детали и узлы типовых центробежных насосов. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится 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 интенсификации химических и других технологических процессов в гидросистемах различного назначения.

Известен генератор тепла, содержащий вихревую камеру, сообщенную с 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 нагревательный кавитационный энергопреобразователь, в котором рабочее колесо центробежного насоса непосредственно встроено в корпус по меньшей мере одной вихревой камеры, выполненной в виде тора, осесимметричного с рабочим колесом, что улучшает массо-габаритные и энергетические характеристики устройства, упрощает конструкцию в целом. Однако в данном устройстве выход жидкости из рабочего колеса осуществляется через зазор между корпусной деталью и диском рабочего колеса, что затрудняет отладку устройства с целью компенсации осевых сил на рабочем колесе, а также согласование рабочих гидравлических параметров рабочего колеса с мощностью приводного двигателя, поскольку указанный зазор выполняется по наибольшему диаметру колеса, и погрешности изготовления корпуса, дисков рабочего колеса и опорного узла вала существенно влияют на проходное сечение зазора и расход жидкости через колесо [2].

Целью изобретения является дальнейшее упрощение конструкции, снижение ее чувствительности к погрешностям изготовления, более эффективная разгрузка рабочего колеса от осевых усилий (для повышения надежности работы) при вариации рабочих параметров, получение возможности использования серийных рабочих колес и элементной базы выпускаемых центробежных насосов для снижения себестоимости изготовления. Указанная цель достигается тем, что:

1. Вихревой генератор тепла содержит лопастное рабочее колесо центробежного насоса, выход которого гидравлически через по меньшей мере один, дросселирующий рабочий канал сообщен с по меньшей мере одной выполненной в корпусе тороидальной вихревой камерой, расположенной соосно приводному валу рабочего колеса, причем в корпусе также выполнена полость для расположения рабочего колеса и каналов сообщения генератора с внешней гидросистемой, при этом выходное проходное сечение рабочего колеса, ограниченное по торцам покрывными дисками, перекрыто периферийным жестко связанным с колесом ободом, образующим совместно с покрывными дисками замкнутую периферийную полость высокого давления, на по меньшей мере одной торцевой стенке которой выполнены указанные дросселирующие рабочие каналы, выходящие в торцевую вихревую камеру.

2. В вихревом генераторе тепла прилегающая к оси рабочего колеса зона вихревой камеры сообщена с входной зоной лопаток рабочего колеса через по меньшей мере один дополнительный дросселирующий канал.

3. В вихревом генераторе тепла на рабочем колесе в зоне натекания потока из вихревой камеры на покрывной диск установлена дополнительная лопаточная система.

4. В вихревом генераторе тепла на периферии покрывных дисков рабочего колеса выполнены вихреобразующие выступы для отклонения потока циркуляции в вихревой камере от зоны выхода жидкости из рабочих дросселирующих каналов рабочего колеса и образования в потоке высокочастотных колебаний давления.

5. В вихревом генераторе тепла выходной корпусной канал выполнен гидравлически сообщенным с дополнительной радиальной кольцевой камерой, расположенной вокруг рабочего колеса в зоне расположения его периферийного обода.

6. В вихревом генераторе тепла рабочие дросселирующие каналы выполнены в виде профилированных сопловых отверстий, направляющих поток жидкости относительно вектора окружной скорости под углом 90°±Δψ, где Δψ лежит в диапазоне 0...55°, исходя из условия обеспечения максимальной энергоэффективности.

7. В вихревом генераторе тепла вихревые тороидальные камеры выполнены с обеих сторон закрытого покрывными дисками рабочего колеса и расположены в зоне диаметров от (1,1...1,3)Д_РК до (0,8...1,2) Д_ВХ, где Д_РК - периферийный диаметр рабочего колеса вместе с ободом, а Д_ВХ - диаметр входного канала в лопаточную систему рабочего колеса.

8. В вихревом генераторе тепла в ядро вихревого потока тороидальной вихревой камеры введены изолированные от корпуса электроды, сообщенные с источником электрической энергии, например импульсным электрогенератором высокого напряжения.

На фиг.1 и 2 даны примеры технических решений вихревого генератора тепла соответственно с одно и двумя оппозитно расположенными тороидальными вихревыми камерами, на фиг.3 и 4 - дополнительные варианты выполнения рабочих дросселирующих каналов рабочего колеса.

Генератор тепла содержит лопастное рабочее колесо 1 по типу колеса центробежного насоса, выход которого гидравлически через по меньшей мере один дросселирующий канал 2 сообщен с по меньшей мере одной выполненной в корпусе 3 тороидальной вихревой камерой 4, расположенной соосно приводному валу 5 рабочего колеса 1. В корпусе 3 также выполнена полость 6 для расположения колеса 1 и каналов 7 и 8 соответственно для выхода жидкости в подключаемую гидросистему и возврата ее из гидросистемы. Выходное проходное периферийное сечение колеса 1, ограниченное по торцам покрывными дисками 9 и 10, перекрыто периферийным жестко связанным с колесом ободом 11, образующим совместно с дисками 9 и 10 замкнутую периферийную полость высокого давления 12, торцевые стенки которой снабжены рабочими выходящими в торцевую вихревую камеру дросселирующими каналами, выполненными в плоской щели, см. фиг.2, или в виде отдельных профилированных сопел (отверстий), см. фиг.2 и 3 поз. 13 и 14 соответственно или объединяющих их кольцевых сопел-щелей с заданной геометрией, например конфузорностью 15, см. фиг.4, поз.15.

В вариантах исполнения прилегающая к оси рабочего колеса 1 зона вихревой камеры 4 сообщена с входной зоной лопаток рабочего колеса через по меньшей мере один дросселирующий канал 16. Такие каналы в виде отверстий 17 могут выполняться и на силовом покрывном диске 9 колеса 1.

На рабочем колесе 1 в зоне натекания потока из вихревой камеры на покрывной диск может быть установлена дополнительная лопастная система 18, например, встроенная в основную лопаточную систему рабочего колеса 1, см. фиг.1, или установленная на покрывных дисках 9 и 10, см. фиг.2.

На периферии покрывных дисков рабочего колеса могут быть выполнены вихреобразующие выступы 19 и/или каналы 20, см. фиг.3, для отклонения потока циркуляции в вихревой камере от зоны выхода жидкости из рабочих дросселирующих каналов 2, 13, 14 или 15 и образования тем самым дополнительных высокачастотных пульсаций давления в потоке жидкости.

Выходной корпусной канал 7 предпочтительно выполнен гидравлически сообщенным с дополнительной радиальной кольцевой камерой 21, расположенной с гарантированным зазором вокруг рабочего колеса в зоне расположения его периферийного обода 11, что дополнительно возбуждающе воздействует на вытекающий из каналов 2 поток жидкости и выравнивает давление на покрывных дисках 9 и 10, снижая осевое усилие на рабочем колесе.

Эффективность генератора тепла зависит от характера движения жидкости в тороидальных вихревых камерах, зависящего от геометрии рабочего колеса камер, направления и скорости выхода потока жидкости из рабочих дросселирующих каналов 13, 14, 15. Поэтому поток жидкости, выходящий из этих каналов, задается относительно вектора окружной скорости (в месте расположения каналов) и выполняется под углом 90°±Δψ, где Δψ лежит в диапазоне 0...55°, исходя из условия обеспечения максимальной энергоэффективности, см. векторную диаграмму в сечении А-А к фиг.2, где V_±Δψ - абсолютная скорость потока, выходящего из рабочих каналов колеса 1, W - скорость потока относительно колеса.

Для обеспечения регулирования энерговыделения в ядро вихревого потока тороидальной вихревой камеры введены изолированные от корпуса 3 электроды 21, сообщенные с источником электрической (электромагнитной, энергии, например с импульсным электрогенератором высокого напряжения и регулируемой частоты импульсов 23.

Генератор тепла работает следующим образом.

При сообщении каналов 7 и 8 с внешней гидросистемой, например, содержащей устройство отбора тепла 24 и редуктор 25 для заполнения гидросистемы жидкостью и задания давления, при вращении вала 5 рабочего колеса 1 в его периферийной полости 12 образуется высокое давление жидкости, что приводит к ее истечению с высокой скоростью через рабочие каналы 2, 13,14 или 15 в вихревые камеры 4 под углом 90°±Δψ относительно вектора окружной скорости колеса в местах выхода указанных каналов, что приводит как к винтовому движению жидкости в камерах 4, так и относительному движению жидкости в радиальном направлении поперечного сечения тора камеры 4. При этом возникает множество вихрей, заполняющих камеру 4 и периодически перемещающихся с переменной скоростью из зон низкого давления в зоны повышенного давления и наоборот в условиях интенсивного гидроакустического и или электромагнитного воздействия на микровихри и кавитационные зоны, что приводит к разогреву жидкости, которая посредством каналов 7 и 8 перемещается во внешнюю гидросистему, отдавая тепло. При этом в камере 21 имеет место повышенное давление за счет вращения жидкости в ней при ее взаимодействии с ободом 11 колеса 1, что обеспечивает интенсивную прокачку жидкости (теплоносителя) через теплообменные аппараты, например 24, внешней гидросистемы.

Интенсификация рабочего процесса осуществляется за счет ее торможения на входе дросселирующих каналов 16, 17, обеспечивающих внутреннюю рециркуляцию жидкости в генераторе и повышение в нем температуры относительно температуры во внешнем контуре подключенной гидросистемы, а также за счет возбуждения молекул жидкости высокочастотными пульсациями давления на вихреобразующих выступах (каналах) 19 и лопатках 18 и/или путем электроимпульсного высокочастотного воздействия посредством электродов 22, расположенных в зоне низкого давления центральной части ионизированного вихревого жгута вихревых камер 4. Наличие электродов 22 при их подключении к электросети позволяет осуществлять также и регулируемый разогрев жидкости при работе генератора тепла и в режиме электронагревателя, например, при необходимости увеличения тепловыделения в пусковой период.

Снижение потребляемой валом мощности выполняется путем передачи на рабочее колесо крутящего момента дополнительными лопастными системами 18, окружная скорость которых существенно ниже окружной скорости натекающего на них потока, имеющего место в вихревых камерах на малых относительно оси колеса диаметрах камер 4.

Поступление потока рециркуляции непосредственно на входной участок лопастной системы рабочего колеса 1 через дросселирующие каналы 16 и 17 существенно повышает устойчивость рабочего процесса при работе на высоких температурах и при прокачивании жидкости, насыщенной микровихрями и паровыми кавернами.

Важно, что выполнение рабочих каналов на торцах по периферии рабочего колеса может осуществляться с высокой точностью и их проходное сечение не зависит от погрешностей и качества сборки генератора тепла. В результате обеспечивается наиболее простое согласование геометрии рабочего органа с геометрией вихревых камер генератора тепла, а также с мощностью и моментом приводящего вал 5 двигателя. Выполнение дросселирующих рабочих каналов в виде отверстий снижает также чувствительность генератора тепла к могущим иметь место в гидросистеме загрязнениям, повышает его надежность и эффективность в целом.

Наличие покрывного обода 11 на рабочем колесе закрытого типа совместно с выполнением рабочих дросселирующих каналов с торцев покрывных дисков рабочего колеса позволяет использовать серийно выпускаемые рабочие колеса центробежных насосов и их силовые опорные стойки, что дает возможность существенно снизить себестоимость изготовления генераторов тепла этого типа и без существенных затрат расширить их номенклатуру по мощностям приводных двигателей, обеспечивая минимальные удельные габариты и массу, а также с учетом дополнительных признаков технического решения данного типа генератора тепла существенно повысить его надежность, стабильность рабочих параметров и энергоэффективность.

Источники информации

1. Потапов Ю.С. Теплогенератор и устройство для нагрева жидкости. Патент РФ 2045715, 1995 г., Бюл.№28.

2. Бритвин Л.Н., Бритвин Э.Н., Бритвина Т.Л., Щепочкин А.В. Кавитационный энергопреобразователь. Патент РФ №2224957, 2004 г., Бюл.№6.

1. Вихревой генератор тепла, содержащий лопастное рабочее колесо по типу рабочего колеса центробежного насоса, выход которого гидравлически через, по меньшей мере, один дросселирующий рабочий канал сообщен с, по меньшей мере, одной выполненной в корпусе тороидальной вихревой камерой, расположенной соосно приводному валу рабочего колеса, причем в корпусе также выполнена полость для расположения рабочего колеса и каналов сообщения генератора с внешней гидросистемой, отличающийся тем, что выходное проходное сечение рабочего колеса, ограниченное по торцам покрывными дисками, перекрыто периферийным, жестко связанным с колесом ободом, образующим совместно с покрывными дисками замкнутую периферийную полость высокого давления, на, по меньшей мере, одной торцевой стенке которой выполнены указанные дросселирующие каналы, выходящие в торцевую вихревую камеру.

2. Вихревой генератор тепла по п. 1, отличающийся тем, что прилегающая к оси рабочего колеса зона вихревой камеры сообщена с входной зоной лопаток рабочего колеса через, по меньшей мере, один дополнительный дросселирующий канал.

3. Вихревой генератор тепла по п. 1, отличающийся тем, что на рабочем колесе в зоне натекания потока из вихревой камеры на покрывной диск установлена дополнительная лопаточная система.

4. Вихревой генератор тепла по п. 1, отличающийся тем, что на периферии покрывных дисков рабочего колеса выполнены вихреобразующие выступы для отклонения потока циркуляции в вихревой камере от зоны выхода жидкости из рабочих дросселирующих каналов рабочего колеса и образования высокочастотных колебаний давления в потоке жидкости вихревой камеры.

5. Вихревой генератор тепла по п. 1, отличающийся тем, что выходной корпусной канал выполнен гидравлически сообщенным с дополнительной радиальной кольцевой камерой, расположенной вокруг рабочего колеса в зоне расположения его периферийного обода.

6. Вихревой генератор тепла по п.1, отличающийся тем, что рабочие дросселирующие каналы выполнены в виде профилированных сопловых отверстий, направляющих поток жидкости относительно вектора окружной скорости под углом 90°±Δψ, где Δψ лежит в диапазоне 0-55°, исходя из условия обеспечения максимальной энергоэффективности.

7. Вихревой генератор тепла по п.1, отличающийся тем, что тороидальные вихревые камеры выполнены с обеих сторон закрытого покрывными дисками рабочего колеса и расположены в зоне диаметров от (1,1...1,3)Д_рк до(0,8...1,2)_Двх, где Д_рк - периферийный диаметр рабочего колеса вместе с ободом, а Д_вх - диаметр входного канала в лопаточную систему рабочего колеса.

8. Вихревой генератор тепла по п.1, отличающийся тем, что в ядро вихревого потока тороидальной вихревой камеры введены изолированные от корпуса электроды, сообщенные с источником электрической энергии, например, импульсным электрогенератором высокого напряжения.