RU2823077C1 - Кавитационный теплогенератор - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для нагрева жидкости в системах отопления и в различных областях, где требуется активация, деструкция и изменение физико-химических свойств жидких систем. Кавитационный теплогенератор содержит закрытый корпус с патрубками для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой жидкости. Внутри корпуса установлены роторы, выполненные в виде двух дисков. В каждом диске ротора с двух сторон жестко закреплены всасывающие турбины, закрытые с торцов, напротив которых по окружности в дисках роторов выполнены кавитационные смесители, состоящие из сквозных коническо-цилиндрических каналов от первой и четвертой турбин, направленных в полость между дисками, причем в сужающей части каналов введены от второй и третьей турбин роторов встречные каналы под углом не более 45° относительно к встречному потоку жидкости от первой и четвертой турбин для создания возмущающего потока и выше по радиусу второй и третьей всасывающих турбин по окружности с внутренней стороны. В каждом диске роторов жестко установлены не менее двух рядов пальцев. Высота пальцев не превышает высоту лопасти всасывающих турбин. Каждый диск роторов жестко закреплен на независимых валах, имеющих независимые приводы и вращающиеся навстречу друг другу. Наличие двух независимых приводов теплогенератора позволяет использовать для регулирования температуры нагреваемой жидкости только один ротор теплогенератора, когда температура окружающей среды достаточно высокая. Это приводит к оптимизации процесса и уменьшению расхода электроэнергии. Техническим результатом является исключение схлопывания микропузырьков на поверхности роторов и повышение теплопроизводительности. 2 ил.

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике для нагрева жидкости в системах отопления, горячего водоснабжения и может быть использовано в различных областях, где требуется активация, деструкция и изменения физико-химических свойств жидких систем.

Известен патент RU №2308648 С1, МПК F24J 3/00 (опубликованный 20.10.2007) на теплогенератор роторного типа, содержащий корпус с входным и выходным патрубками для нагреваемой жидкости. Внутри корпуса расположены статор в форме перфорированной гильзы и ротор, состоящий из двух соосно расположенных перфорированных дисков, смонтированных на независимых валах и с приводами, вращающимися в противоположенные стороны. К недостаткам вышеуказанных технических решений относятся недостаточная эффективность нагрева жидкости, технологически сложное изготовление элементов и малая ремонтопригодность теплогенератора.

Известен патент RU №2362947 С2, МПК 7 F24J (опубликованный 27.07.2009) на теплопарогенератор приводной кавитационный, содержащий рабочий орган, состоящий из корпуса, крышек, рабочих дисков теплогенератора, первой и второй крыльчаток, разделительных стенок, двух обратных клапанов, третьего термоклапана, расширительного блока для формирования паровоздушной смеси и реактивной турбины, причем диски теплогенератора выполнены с выемками в виде шаровых сегментов и нанесенными на торцы дисков направляющими каналами, образующими по три вихревых спиральных канала с каждой стороны диска, также на цилиндрической поверхности дисков под углом 15 градусов к их образующей нанесены направляющие каналы для направления пароводяной смеси вдоль оси теплогенератора в сторону крыльчатки. Недостатком данной конструкции является то, что при работе теплогенератора возникает фазовый переход в парообразное состояние, выделение энергии перемещается в оптический и низкочастотный диапазон, который совместно с кавитацией приводит к быстрому разрушению рабочих органов.

Известен патент RU №2534198 С9, МПК F24J (опубликованный 27.11.2014) на способ и устройство для получения тепловой энергии, включающий подачу потока жидкости под давлением насосом в вихревую трубу с последующим его направлением в замкнутую емкость с жидкостью. Перед входом в вихревую трубу поток жидкости направляют через прорези, которые располагают под углом к центральной оси вихревой трубы по ее периметру, тангенциально закручивают посредствам прорезей и подвергают ультразвуковому облучению в условиях резонанса. Данное изобретение обладает свойством возникновения резонансных колебаний, которые вызывают эффект гидравлического удара и ударных волн. Совместно с процессами кавитации этот эффект приводит к быстрому старению, износу элементов и устройств теплогенератора. Кроме того, ультразвуковые генераторы имеют ограниченный диапазон по мощности и отсутствуют системы защиты режимов работы.

Известен патент RU №2527545 С1 МПК F24J 3/00 (опубликованный 10.09.2014) на многофункциональный вихревой теплогенератор (варианты), содержащей по первому варианту закрытый корпус с патрубками для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой жидкости, установленные внутри корпуса роторы, выполненные в виде двух дисков, закрепленных на независимых валах, имеющих независимые приводы и имеющие возможность вращаться навстречу друг другу, всасывающие турбины, которые жестко закреплены на независимых валах вместе с дисками роторов, а в дисках роторов напротив установленных турбин по окружности выполнены коническо-цилиндрические отверстия, направленные в полость между дисками, выше по радиусу которых радиально по окружности жестко установлены ряды пальцев, при этом пальцы выполнены так, чтобы ряды пальцев одного диска свободно с зазором входят между рядами пальцев второго диска, а коническо-цилиндрические отверстия одного диска расположены напротив коническо-цилиндрических отверстий другого диска и каждый диск с каждой турбиной снабжен отдельным патрубком, являющимся патрубками для подвода нагреваемой жидкости.

По второму варианту в теплогенераторе каждый электродвигатель дополнительно содержит устройство для регулирования частоты вращения, а ряды пальцев роторов выполнены в виде эллипсоидных пальцев-лопаток, перфорированных сквозными коническо-цилиндрическими отверстиями и установлены на дисках так, что отверстия в пальцах-лопатках направлены по ходу вращения дисков роторов.

По третьему варианту в теплогенераторе выходы электродвигателя привода роторов, датчика температуры сборника нагретой жидкости соединены с соответствующими входами блока управления, а вся внутренняя поверхность и наружная поверхность турбин, дисков с пальцами и валов, привода, размещенных внутри корпуса, покрыты износоустойчивой керамикой.

Технической проблемой является то, что конструкция теплогенератора не обеспечивает высокую теплопроизводительность при однократной прокачке теплоносителя через теплогенератор.

Известен патент RU №2658448 C1 МПК F24V 99/00 (опубликованный 21.06.2018) на многоступенчатый вихревой теплогенератор (варианты), содержащий закрытый корпус с патрубками для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой жидкости, установленные внутри корпуса роторы, выполнены в виде двух дисков, закрепленных на независимых валах, имеющих независимые приводы и имеющие возможность вращаться навстречу друг другу, первые всасывающие турбины, которые жестко закреплены на независимых валах вместе с дисками роторов, а в дисках роторов напротив установленных всасывающих турбин по окружности выполнены сквозные коническо-цилиндрические отверстия, направленные в полость между дисками, выше по радиусу которых радиально по окружности жестко установлены ряды пальцев, при этом пальцы выполнены так, что ряды пальцев одного диска свободно с зазором входят между рядами пальцев второго диска, а перед первыми всасывающими турбинами с обеих сторон введены гидродинамические кавитационные смесители, которые жестко закреплены к корпусу теплогенератора, а перед гидродинамическими кавитационными смесителями установлены и жестко закреплены на независимых валах вторые всасывающие турбины, причем в цилиндрической части-рабочих камер гидродинамических кавитационных смесителей введены патрубки под углом не более 45 градусов относительно центральной оси приводного вала к встречному потоку для подвода возмущающего потока жидкости от первых всасывающих турбин, закрепленных на дисках роторов, и каждая вторая всасывающая турбина, установленная перед гидродинамическим кавитационным смесителем снабжена отдельным патрубком, являющимся патрубком для подвода нагреваемой жидкости.

По второму варианту в дисках роторов напротив первых установленных всасывающих турбин по окружности выполнены не менее двух кольцевых рядов коническо-цилиндрических отверстий, а перед первыми всасывающими турбинами, закрепленными на дисках роторов, с обеих сторон введены не менее двух гидродинамических кавитационных смесителей, которые жестко закреплены к корпусу теплогенератора, а перед смесителями установлены и жестко закреплены на независимых валах вторые всавывающие турбины, причем в цилиндрической части каждого гидродинамического кавитационного смесителя-рабочей камере введены патрубки под углом не более 45 градусов относительно центральной оси приводного вала к встречному потоку для отвода возмущающего потока жидкости от всасывающих турбин, установленных после гидродинамических кавитационных смесителей, и патрубки с регулирующими клапанами для подсоса воздуха под углом не более 45 градусов относительно центральной оси приводного вала по ходу движения основного потока для подсоса воздуха в основной поток жидкости.

К основному недостатку данных конструкций относится сложность изготовления и недостаточная теплопроизводительность при однократной прокачке жидкости через теплогенератор.

Известен патент RU №2719612 С1 МПК F24V 40/10 (2020.02); F24H 1/10 (2020.02). (опубликованный 21.04.2020) на теплогенератор, содержащий закрытый корпус с патрубками для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой, установленный внутри корпуса ротор, выполненный в виде дисков, смонтированных с возможностью вращения, а диски ротора установлены на одном валу со смещением по окружности относительно друг друга с одновременным смещением кавитационных полостей, при этом диски соединены между собой в одно целое, а на их поверхностях кавитационные полости выполнены параболической формы, при этом вершина парабол расположены по направлению вращающихся дисков.

Главным недостатком данного устройства является то, что в кавитационных полостях происходит возникновение пузырьков, схлопывание которых происходит на поверхности дисков, что приводит к их разрушению и в конечном итоге к быстрому выходу из строя теплогенератора.

Данное техническое решение принято за ближайший аналог (прототип). Техническим результатом заявленного изобретения является исключение процесса схлопывания микропузырьков на поверхности дисков ротора и на внутренней поверхности теплогенератора. Указанный технический результат достигается тем, что основной поток жидкости от кавитационных смесителей с помощью коническо-цилиндрических каналов направлен в центр исходящего потока жидкости теплогенератора, а в каждом диске роторов жестко установлены не менее двух радиальных рядов пальцев, при этом высота пальцев не должна превышать высоту лопасти всасывающих турбин. При вращении роторов радиальные ряды пальцев создают с двух сторон водяные диски, не позволяя микропузырькам схлопываться на внутренней поверхности теплогенератора.

Предлагаемое изобретение позволяет производить протекание рабочего процесса нагревания и активации жидкости на более высоком уровне. На фиг. 1 показан схематично кавитационный теплогенератор (КТ) На фиг. 2 показан фрагмент кавитационного смесителя.

Решаемая техническая задача в кавитационном теплогенераторе, содержащим закрытый корпус с патрубками для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой жидкости, установленные внутри корпуса роторы, выполненные в виде двух дисков. Каждый диск ротора жестко закреплен на независимых валах, имеющих независимые приводы и имеющие возможность вращаться навстречу друг другу. В каждом диске ротора с двух сторон жестко закреплены всасывающие турбины, закрытые с торцов, напротив которых по окружности в дисках роторов выполнены кавитационные смесители, состоящие из сквозных коническо-цилиндрических каналов от первых турбин, направленных в полость между дисками, причем в сужающей части каналов введены от вторых турбин роторов встречные каналы под углом не более 45 градусов относительно к встречному потоку жидкости от первых турбин для создания возмущающего потока и выше по радиусу вторых всасывающих турбин по окружности с внутренней стороны в каждом диске роторов жестко установлены не менее двух рядов пальцев, при этом высота пальцев не должна превышать высоту лопасти всасывающих турбин и каждый диск роторов со стороны первых турбин снабжен отдельным патрубком для подвода нагреваемой жидкости.

Кавитационный теплогенератор (фиг. 1) содержит закрытый корпус 1 с патрубками для подвода нагреваемой жидкости 2 и отвода нагретой жидкости 3, установленные внутри корпуса 1 роторы 4, выполненные в виде двух дисков 5 и четырех всасывающих турбин 6, 7 закрепленных на независимых валах 9, имеющих независимые приводы, причем валы 9 вращаются навстречу друг другу. В дисках 5 роторов 4 напротив установленных турбин 6 по окружности выполнены коническо-цилиндрические отверстия 10, направленные в полость между дисками 5, выше по радиусу которых радиально по окружности жестко установлены ряды пальцев 11, высота которых не должна превышать высоту лопасти всасывающих турбин 6, причем в цилиндрической части кавитационных смесителей введены патрубки 10 под углом не более 45 градусов относительно оси приводного вала 9 к встречному потоку жидкости. Роторы 4, 5 представляют собой легко разбираемые конструкции, состоящие из дисков 5 с пальцами 11, турбин 6 и валов 9, которые перед сборкой теплогенератора проходят статическую и динамическую балансировку. Балансировка позволяет уменьшить шум при работе и увеличить ресурс работы теплогенератора. Корпус 1, роторы 4 теплогенератора, смесители 10 изготавливаются из стойкой к коррозии нержавеющей стали ГОСТ 5632-72 1 группа. На чертеже (фиг. 1) не показано: электродвигатели приводов, сальниковые уплотнители, рама теплогенератора, сборник воды и арматура систем отопления. Введение патрубков 10 под большим углом чем 45 градусов относительно центральной оси приводных валов 9 снижает эффективность возмущающих потоков.

Рассмотрим работу кавитационного теплогенератора (фиг. 1). Теплогенератор работает следующим образом. После заполнения расходного сборника системы отопления и закрытого корпуса 1 теплогенератора (фиг. 1) через входные патрубки 2 рабочей жидкостью (водой) включаются электродвигатели приводов 9, приводящие в движение роторы 4, 5, выполненные в виде двух дисков 5, четырех всасывающих турбин 6, 7, закрепленных на валах 9. Пройдя через всасывающие турбины 6, 7 с двух сторон потоки жидкости за счет центробежных сил устремляются в гидродинамические кавитационные смесители 10, где происходит зарождение микроскопических пузырьков, их рост и схлопывание. Благодаря тому, что потоки жидкости из коническо-цилиндрических каналов направляются в центр исходящего основного потока жидкости и радиальные ряды пальцев при вращении дисков создают с двух сторон водяные диски схлопывание микропузырьков завершается внутри основного потока жидкости, что улучшает эксплутационные характеристики и исключает разрушение внутренней поверхности теплогенератора. Регулирование температурного режима в теплогенераторе осуществляется включением и выключением электродвигателей приводов по сигналу с датчика температуры расходного сборника системы отопления. При достижении максимальной температуры электродвигатели приводов выключаются, при охлаждении теплоносителя до минимальной заданной температуры включаются. По сравнению с прототипом предлагаемый вариант конструкции теплогенератора позволяет повысить теплопроизводительность и расширить область применения, где требуется безреагентная очистка воды, активация, деструкция и смешение жидких компонентов.

Наличие двух независимых приводов позволяет использовать для регулирования температуры нагреваемой жидкости только один ротор теплогенератора, когда температура окружающей среды достаточно высокая. Это приводит к оптимизации процесса и уменьшению расхода электроэнергии. По сравнению с прототипом предлагаемый вариант конструкции кавитационного теплогенератора за счет совершенствования конструкции и исключению процесса схлопывания микропузырьков на поверхности дисков, увеличению количества ступеней кавитации обеспечивают более высокую теплопроизводительность, скорость нагрева жидкости, не требуют специального обслуживания и имеют широкий спектр применения в различных отраслях.

Claims (1)

1. Кавитационный теплогенератор, содержащий закрытый корпус с патрубками для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой жидкости, установленные внутри корпуса роторы, выполненные в виде двух дисков, закрепленных на независимых валах, имеющих независимые приводы, отличающийся тем, что в каждом диске ротора с двух сторон жестко закреплены всасывающие турбины, закрытые с торцов, напротив которых по окружности в дисках роторов выполнены кавитационные смесители, состоящие из сквозных коническо-цилиндрических каналов от первой и четвертой турбин, направленных в полость между дисками, причем в сужающей части каналов введены от второй и третьей турбин роторов встречные каналы под углом не более 45 градусов относительно к встречному потоку жидкости от первой и четвертой турбин для создания возмущающего потока и выше по радиусу второй и третьей всасывающих турбин по окружности с внутренней стороны в каждом диске роторов жестко установлены не менее двух рядов пальцев, при этом высота пальцев не должна превышать высоту лопасти всасывающих турбин и каждый диск роторов закреплен на расстоянии друг от друга.

Images