Саморегулирующийся гидродинамический нагреватель жидкости

Изобретение относится к теплотехнике и предназначено для нагревания жидкостей для различных отраслей народного хозяйства. Технический результат сводится к обеспечению работоспособности гидродинамического нагревателя в широком диапазоне изменяющихся параметров подачи и напора жидкости, подаваемой насосом на его вход при изменяющейся частоте вращения вала насоса. Саморегулирующийся гидродинамический нагреватель жидкости состоит из циклона 1 с крышкой 2, на который установлены ограничительное кольцо 3 и регулировочный винт 4, к циклону 1 закреплен конусный завихритель 5, а к нему подсоединен цилиндр 6, содержащий тормозное устройство 7, ниже которого к цилиндру 6 подсоединена тормозная камера 8 с патрубком 9, перпендикулярно расположенным к цилиндру 6, к крышке 2 циклона 1 закреплен с помощью регулировочного винта 4 пустотелый закрытый усеченный конус 10, входящий большим основанием в ограничительное кольцо 3; со стороны меньшего основания на пустотелый закрытый усеченный конус 10 надета воронка 11 с патрубком 12, который проходит через цилиндр 6, тормозное устройство 7 и направляющую втулку 13, установленную в тормозной камере 8 и снабженную фиксирующим винтом 14; дополнительно гидродинамический нагреватель снабжен устройством саморегулирования, состоящим из пружины 15, размещенной в патрубке 12, упирающейся одним крайним винтом в буртик 16, образованный в месте соединения патрубка 12 и воронки 11, а другим крайним винтом - в шайбу 17, надетую на стержень 18, который одним концом неподвижно соединен с днищем меньшего основания закрытого пустотелого усеченного конуса 10, а на другом конце имеющий резьбу и гайку 19, фиксирующую шайбу 17 на стержне 18; при этом в днище большего основания закрытого пустотелого усеченного конуса 10 установлен стакан 20, в котором размещена пружина 21, упирающаяся одним крайним витком в регулировочную гайку 22, находящуюся на регулировочном винте 4, а другим крайним витком упирающаяся в упорную втулку 23, широким основанием упирающуюся в днище 24 стакана 20, а узким основанием надетую на регулировочный винт 4 с возможностью перемещения упорной втулки 23 вдоль регулировочного винта 4, ограничивающегося головкой 25 на конце. 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к саморегулирующимся гидродинамическим нагревателям, и может быть использовано для нагревания жидкостей для различных отраслей народного хозяйства.

Уровень техники

Известен теплогенератор кавитационного типа, базирующийся на использовании вихревой форсунки, в которую подается жидкий теплоноситель от насоса, а для получения дополнительного теплового эффекта в торцовой стенке резонатора установлены электроды с подводимым к ним регулируемым напряжением (см. патент Российской Федерации №2201561, кл. 7 F24J 3/00).

Недостатком данного кавитационного теплогенератора является недоиспользование теплогенерирующих возможностей каждого из используемых тепловых эффектов, а именно: в вихревой форсунке - в недостаточном использовании центробежной силы при закручивании потока; в резонаторе - из-за слабого влияния на кавитационные процессы в потоке теплоносителя; тепловой эффект, имеющий место при электролизе воды, имеет совсем другую физическую природу, и получение теплового эффекта будет практически незначительным.

Другое известное устройство для нагрева жидкости (см. патент Российской Федерации №2162571, кл. 7 F24D 3/02) также использует вихревую форсунку, а для достижения дополнительного теплового эффекта в инжекционном патрубке на входе в циклон установлена перфорированная перегородка. Однако такая перегородка создает местное гидравлическое сопротивление, что приводит к резкому снижению скорости потока жидкости, а это значительно снижает эффективность циклона и, как следствие, всего устройства для нагрева жидкости в целом.

Наиболее близким к заявленному является гидродинамический нагреватель жидкости, содержащий циклон, цилиндр, подсоединенный одним торцом к циклону, а с другого торца цилиндр внутри снабжен тормозным устройством, а между цилиндром и циклоном установлен конусный завихритель в виде усеченного пустотелого конуса, последний соединен большим основанием с циклоном, а меньшим основанием подсоединен к цилиндру, при этом внутри конусного завихрителя установлен пустотелый закрытый усеченный конус, закрытый со стороны оснований и соединенный большим основанием с крышкой циклона регулировочным винтом и входящий в ограничительное кольцо, прикрепленное к крышке циклона, с образованием между боковыми стенками циклона и ограничительного кольца канала для движения потока жидкости с выходом ее в конусный завихритель, причем со стороны меньшего основания на пустотелый закрытый усеченный конус надета воронка, имеющая патрубок, проходящий через цилиндр, а к последнему ниже тормозного устройства подсоединена тормозная камера с патрубком, перпендикулярным цилиндру, а через днище тормозной камеры проходит направляющая втулка, надетая на патрубок, соединенный с воронкой, при этом в направляющей втулке установлен фиксирующий винт (см. патент Российской Федерации №2269074, МПК⁷ F24J 3/00; опубл. 27.01.06).

Достоинством данного гидродинамического нагревателя является наличие в нем всех элементов, необходимых для реализации теплового эффекта, возникающего при сжатии жидкости, а именно: циклона, служащего для закручивания потока и возникновения в нем центробежных сил, сжимающих жидкость; конусного завихрителя, увеличивающего угловую скорость потока; цилиндра, в котором поток приобретает максимальную угловую скорость; тормозного устройства и тормозной камеры, преобразующих кинетическую энергию потока жидкости в потенциальную энергию сжатого потока жидкости, сопровождающуюся значительным повышением давления, что благодаря энергетическим процессам, протекающим на молекулярном уровне, приводит к повышению температуры жидкости.

Недостатком данного гидродинамического нагревателя является то, что он предварительно настраивается и эффективно работает только при неизменных подаче и напоре жидкости, подаваемой на его вход насосом, вал которого приводится во вращение электродвигателем с постоянной частотой вращения и не может устойчиво работать при постоянно изменяющейся частоте вращения, например с приводом от ветродвигателя, частота вращения вала которого постоянно изменяется в зависимости от скорости ветра.

Сохраняя все достоинства вышеописанного гидродинамического нагревателя, имеющийся недостаток устраняется с помощью нижеизложенного предложения.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого решения, сводится к обеспечению работоспособности гидродинамического нагревателя в широком диапазоне изменяющихся подачи и напора жидкости, подаваемой насосом на его вход при изменяющейся частоте вращения вала насоса.

Технический результат достигается с помощью саморегулирующегося гидродинамического нагревателя, содержащего циклон с цилиндром, подсоединенным одним торцом к циклону, а с другого торца цилиндр внутри снабжен тормозным устройством, а между цилиндром и циклоном установлен конусный завихритель в виде усеченного пустотелого конуса, последний соединен большим основанием с циклоном, а меньшим основанием подсоединен к цилиндру, при этом внутри конусного завихрителя установлен пустотелый закрытый усеченный конус, закрытый со стороны оснований и соединенный большим основанием с крышкой циклона регулировочным винтом и входящий в ограничительное кольцо, прикрепленное к крышке циклона, с образованием между боковыми стенками циклона и ограничительного кольца канала для движения потока жидкости с выходом ее в конусный завихритель, причем со стороны меньшего основания на пустотелый закрытый усеченный конус надета воронка, имеющая патрубок, проходящий через цилиндр, а к последнему ниже тормозного устройства подсоединена тормозная камера с патрубком, перпендикулярным цилиндру, а через днище тормозной камеры проходит направляющая втулка, надетая на патрубок, соединенный с воронкой, при этом в направляющей втулке установлен фиксирующий винт, и дополнительно установленное устройство для саморегулирования режима работы, состоящее из пружины, размещенной в патрубке, упирающейся одним крайним витком в буртик, образованный в месте соединения патрубка и воронки, а другим крайним витком упирающейся в шайбу, надетую на стержень, который одним концом неподвижно соединен с днищем меньшего основания закрытого усеченного конуса, а на другом конце имеющий резьбу и гайку, фиксирующую шайбу на стержне; при этом в днище большего основания закрытого пустотелого усеченного конуса установлен стакан, в котором размещена пружина, упирающаяся одним крайним витком в регулировочную гайку, находящуюся на регулировочном винте, а другим крайним витком упирающаяся в упорную втулку, широким основанием упирающуюся в днище стакана, а узким основанием надетую на регулировочный винт с возможностью перемещения упорной втулки по длине регулировочного винта, ограничивающегося головкой на конце.

Краткое описание чертежей

На чертеже дан саморегулирующийся гидродинамический нагреватель жидкости, общий вид.

Осуществление изобретения

Саморегулирующийся гидродинамический нагреватель жидкости состоит из циклона 1 с крышкой 2, на который установлены ограничительное кольцо 3 и регулировочный винт 4, к циклону 1 закреплен конусный завихритель 5, а к нему подсоединен цилиндр 6, содержащий тормозное устройство 7, ниже которого к цилиндру 6 подсоединена тормозная камера 8 с патрубком 9, перпендикулярно расположенным к цилиндру 6, к крышке 2 циклона 1 закреплен с помощью регулировочного винта 4 пустотелый закрытый усеченный конус 10, входящий большим основанием в ограничительное кольцо 3; со стороны меньшего основания на пустотелый закрытый усеченный конус 10 надета воронка 11 с патрубком 12, который проходит через цилиндр 6, тормозное устройство 7 и направляющую втулку 13, установленную в тормозной камере 8 и снабженную фиксирующим винтом 14; дополнительно гидродинамический нагреватель снабжен устройством саморегулирования, состоящим из пружины 15, размещенной в патрубке 12, упирающейся одним крайним винтом в буртик 16, образованный в месте соединения патрубка 12 и воронки 11, а другим крайним винтом упирающейся в шайбу 17, надетую на стержень 18, который одним концом неподвижно соединен с днищем меньшего основания закрытого пустотелого усеченного конуса 10, а на другом конце имеющий резьбу и гайку 19, фиксирующую шайбу 17 на стержне 18; при этом в днище большего основания закрытого пустотелого усеченного конуса 10 установлен стакан 20, в котором размещена пружина 21, упирающаяся одним крайним витком в регулировочную гайку 22, находящуюся на регулировочном винте 4, а другим крайним витком упирающаяся в упорную втулку 23, широким основанием упирающуюся в днище 24 стакана 20, а узким основанием надетую на регулировочный винт 4 с возможностью перемещения упорной втулки 23 вдоль регулировочного винта 4, ограничивающегося головкой 25 на конце.

Работает саморегулирующийся гидродинамический нагреватель следующим образом.

Поток жидкости от насоса (на чертеже не показан) под давлением линейно подается на вход саморегулирующегося гидродинамического нагревателя. В момент вхождения в циклон 1 поток жидкости приобретает еще и вращательное движение относительно оси, перпендикулярной прямолинейному движению потока, в связи с которым возникает центробежная сила, приводящая к увеличению общего давления внутри потока жидкости. Из циклона 1 поток жидкости переходит в конусный завихритель 5, в котором закручивается по его внутренней поверхности с уменьшающимся радиусом закручивания, что значительно увеличивает прирост угловой скорости потока жидкости, а это вызывает увеличение центробежной силы, действующей на молекулы жидкости и увеличивающей силу сжатия молекул в потоке жидкости, что приводит к увеличению теплового эффекта, который на молекулярном уровне зависит именно от давления внутри потока. Пустотелый закрытый усеченный конус 10 служит для обеспечения стабильной работы конусного завихрителя 5, что заключается в предотвращении срыва потока жидкости, закручиваемого по внутренней поверхности конусного завихрителя 5, а также для ликвидации зоны пониженного давления внутри гидродинамического нагревателя, при наличии которой жидкость на внешней поверхности пустотелого закрытого усеченного конуса 10 охлаждается и, смешиваясь с жидкостью, нагретой на внутренней поверхности конусного завихрителя 5, уменьшает суммарный нагрев жидкости, проходящей через конусный завихритель 5. Посредством регулировки положения пустотелого закрытого усеченного конуса 10 при помощи регулировочного винта 4, свободным концом ввернутого в крышку 2, вдоль ограничительного кольца 3 относительно воронки 11, устанавливается режим работы гидродинамического нагревателя без образования потока холодной жидкости при отсутствии зазора между пустотелым закрытым усеченным конусом 10 и воронкой 11, а это значительно повышает его теплопроизводительность. Поток жидкости, нагретый в конусном завихрителе 5 за счет адиабатного сжатия молекул на его внутренней поверхности с выделением при этом теплоты, поступает в цилиндр 6. Далее поток, имеющий максимальную угловую скорость, поступает на лопатки тормозного устройства 7, где его угловая скорость становится равной нулю, а кинетическая энергия при этом переходит в тепловую, дополнительно нагревая воду. Далее поток поступает в тормозную камеру 8, в которой он меняет направление поступательной скорости на перпендикулярное, что снова вызывает сжатие молекул в потоке и выделение при этом фотонов энергии с переходом этой энергии на тепловой уровень, проявляющийся через повышение температуры воды, что завершает цикл нагрева потока жидкости.

При увеличении напора и расхода жидкости сила давления воздействует на поверхность пустотелого закрытого усеченного конуса 10 и, преодолевая усилие пружины 21, поднимает его относительно конусного завихрителя 5, тем самым увеличивая проходное сечение для потока. Стержень 18 через фиксирующую шайбу 17 и гайку 19 воздействует на пружину 15, которая, упираясь крайним витком в буртик 16, заставляет подниматься патрубок 12, плотно прижимая воронку 11 к меньшему основанию закрытого пустотелого усеченного конуса 10. Фиксирующий винт 14 при этом отпущен. В случае резкого скачка напора в сторону его увеличения в связи с действием сил инерции патрубок 12 вместе с воронкой 11 будут запаздывать при подъеме, образуя зазор между воронкой 11 и закрытым пустотелым усеченным конусом 10, что позволит быстро сгладить резкий скачок и избежать ударной нагрузки на весь аппарат в целом.

При снижении напора пружина 21, упираясь в регулировочную гайку одним крайним витком, другим своим крайним витком будет воздействовать на упорную втулку 23 и днище 25 стакана 20, заставляя опуститься пустотелый закрытый усеченный конус 10, который будет толкать патрубок 12, плотно прижимаясь меньшим своим основанием к воронке 11.

Обязательным условием является регулирование положения пустотелого закрытого усеченного конуса 10 при минимально допустимых подаче и напоре насоса, то есть при минимально допустимой частоте вращения вала насоса (на чертеже не показан), соответствующих этому условию. Выполнение этого условия будет определять нижний предел рабочего диапазона саморегулирующегося гидродинамического нагревателя. Верхний предел рабочего диапазона будет определяться максимальными подачей и напором насоса при увеличении частоты вращения вала насоса.

Настройка работы саморегулирующегося гидродинамического нагревателя на нижний предел рабочего диапазона осуществляется при минимально допустимых подаче и напоре насоса, при которых имеет место тепловой эффект, следующим образом. Учитывая, что воронка 11 с прикрепленным к ней со стороны меньшего основания патрубком 12 постоянно прижимается к внешней поверхности пустотелого закрытого усеченного конуса 10, преодолевая усилия сжатия пружины 15, переместить патрубок 12 вдоль направляющей втулки 13, отдаляя воронку 11 от пустотелого закрытого усеченного конуса 10 и зафиксировать фиксирующим винтом 14, замеряя температуру жидкости, выходящей из патрубка 12. Если ее температура будет ниже температуры жидкости, поступающей в циклон 1, то следует переместить пустотелый закрытый усеченный конус 10 с помощью регулировочного винта 4 до соприкосновения с воронкой 11, о чем будет свидетельствовать прекращение течи жидкости из патрубка 12. Далее, отпустив фиксирующий винт 14, повторяя эту операцию, добиться того, чтобы температура жидкости, вытекающей из патрубка, была не ниже, чем температура жидкости на входе в циклон 1. Это будет означать, что саморегулирующийся гидродинамический нагреватель настроен для работы на нижнем пределе рабочего диапазона, после чего отпустить фиксирующий винт 14; пружина 15 прижмет воронку 11 к поверхности пустотелого закрытого усеченного конуса 10 и течь жидкости из патрубка 12 прекратиться.

Настройка работы саморегулирующегося гидродинамического нагревателя на верхний предел рабочего диапазона осуществляется при максимальных подаче и напоре насоса. Для этого необходимо, преодолевая сопротивление пружины 15, оттянуть патрубок 12 и замерить температуру жидкости, вытекающей из патрубка 12. Если ее температура будет ниже температуры жидкости, поступающей в циклон 1, то это будет свидетельствовать о том, что пустотелый закрытый усеченный конус 10 под давлением жидкости в конусном завихрителе 5 переместился к крышке 2 на большее расстояние и не перекрывает зону пониженного давления. В таком случае необходимо снять крышку 2 вместе с пустотелым закрытым усеченным конусом 10 и, не вращая регулировочный винт 4, сжать пружину 21, расположенную в стакане 20, поворачивая гайку 22. Поставить крышку 2 вместе с пустотелым закрытым усеченным конусом 10 на место и проверить работу саморегулирующегося гидродинамического нагревателя на верхнем пределе рабочего диапазона. Настройка считается законченной, если при оттягивании патрубка 12 из него будет течь жидкость, имеющая температуру не ниже температуры жидкости, поступающей в циклон 1. Замеры температуры выполнять с точностью до 0,5°С.

Устройство саморегулирования (позиции 15-25) поддерживает оптимальное расстояние между внутренней поверхностью конусного завихрителя 5 и внешней поверхностью пустотелого закрытого усеченного конуса 10 при изменяющихся подаче и напоре воды, обеспечивая работу саморегулирующегося гидродинамического нагревателя в оптимальном режиме и снижая ударные нагрузки.

Сопоставительный анализ прототипа позволяет сделать вывод о том, что, по сравнению с прототипом и другими известными рассмотренными устройствами, заявленный саморегулирующийся гидродинамический нагреватель жидкости обладает существенным отличительным признаком, что позволяет использовать гидродинамический нагреватель в широком диапазоне подачи и напора жидкости, создаваемых насосом при переменной частоте вращения его вала.

Анализ известных технических решений в исследуемой области и в смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с признаками заявленного устройства, выполняющего те же функции.

Экономическая эффективность от использования заявленного устройства заключается в том, что оно позволяет трансформировать механическую энергию вращающегося с изменяющейся частотой вала насоса в тепловую энергию нагреваемого жидкого теплоносителя от разнообразных приводов, в том числе и ветродвигателя, с широким диапазоном изменения частоты вращения приводного вала.

Саморегулирующийся гидродинамический нагреватель жидкости, содержащий циклон с цилиндром, подсоединенным одним торцом к циклону, а с другого торца цилиндр внутри снабжен тормозным устройством, а между цилиндром и циклоном установлен конусный завихритель в виде усеченного пустотелого конуса, последний соединен большим основанием с циклоном, а меньшим основанием подсоединен к цилиндру, при этом внутри конусного завихрителя установлен пустотелый закрытый усеченный конус, закрытый со стороны оснований и соединенный большим основанием с крышкой циклона регулировочным винтом и входящий в ограничительное кольцо, прикрепленное к крышке циклона, с образованием между боковыми стенками циклона и ограничительного кольца канала для движения потока жидкости с выходом ее в конусный завихритель, причем со стороны меньшего основания на пустотелый закрытый усеченный конус надета воронка, имеющая патрубок, проходящий через цилиндр, а к последнему ниже тормозного устройства подсоединена тормозная камера с патрубком, перпендикулярным цилиндру, а через днище тормозной камеры проходит направляющая втулка, надетая на патрубок, соединенный с воронкой, при этом в направляющей втулке установлен фиксирующий винт, отличающийся тем, что в нагреватель дополнительно установлено устройство для саморегулирования режима работы, состоящее из пружины, размещенной в патрубке, упирающейся одним крайним витком в буртик, образованный в месте соединения патрубка и воронки, а другим крайним витком упирающаяся в шайбу, надетую на стержень, который одним концом неподвижно соединен с днищем меньшего основания закрытого усеченного конуса, а на другом конце имеющий резьбу и гайку, фиксирующую шайбу на стержне, при этом в днище большего основания закрытого пустотелого усеченного конуса установлен стакан, в котором размещена пружина, упирающаяся одним крайним витком в регулировочную гайку, находящуюся на регулировочном винте, а другим крайним витком упирающаяся в упорную втулку, широким основанием упирающуюся в днище стакана, а узким основанием надетую на регулировочный винт с возможностью перемещения упорной втулки по длине регулировочного винта, ограничивающегося головкой на конце.