УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА ЖИДКОСТИ
DEVICE FOR HEATING LIQUIDS

Изобретение относится к теплогенераторам кавитационного типа для разогрева жидкостей в гидросистемах различного назначения, а также может быть использовано в качестве смесителей различных жидкостей, диспергирования, разрушения молекулярных связей в сложных жидкостях, изменения физико-механических свойств жидкостей.
Известен теплогенератор для нагрева жидкостей (патент RU 2173432, кл. F 25 B 29/00), имеющий цилиндрический корпус с циклоном-ускорителем потока жидкости в его нижней части, тормозное устройство в верхней части корпуса, выпускной патрубок, соединённый с циклоном с помощью перепускного патрубка, причём соединение выполнено на торце циклона сосно ему, торец циклона установлен под углом 10° к его радиальному сечению, а внешняя стенка инжекционного патрубка на входе в корпус снабжена направляющей лопастью, прикреплённой к торцу циклона. При этом внешняя стенка инжекционного патрубка и направляющая лопасть выполнены по логарифмической спирали с длиной направляющей лопасти более πR//2, где R - внутренний радиус корпуса, а циклон и цилиндрический корпус выполнены с одинаковым радиусом.
Недостатком этого технического решения является то, что предложенное устройство имеет недостаточно высокую эффективность работы (нагрева воды). Теплогенераторы рассматриваемого класса являются жидкостными свистками, которые создают звуковое поле в своём внутреннем объёме, через который проходит жидкость. При этом в фазе разрежения звуковой волны в жидкости на зародышах образуются и растут кавитационные полости, а в фазе избыточного давления они мнгновенно схлопываются осуществляя уплотнение энергии как в пространстве, так и во времени с ростом температуры в точке схлопывания до 6000 К.
Механизм образования звуковых волн сводится к процессу схода потока, вышедшего из инжекционного патрубка, с направляющей лопасти, прикрепленной к торцу циклона. В этом случае имеет место два источника образования колебаний. Во-первых, стекание потока с направляющей лопасти вызывает её колебание под действием гидродинамического воздействия. Причём, разные участки лопасти имеют разную жесткость, поэтому они совершают сложные колебания с разными частотами. Во-вторых, сам процесс истечения затопленной струи из инжекционного патрубка в циклон является источником звука. Так выход струи в затопленное пространство является местным сопротивлением, обуславливающим на конечном участке подводящего канала избыточное по отношению к этому пространству давление, пропорциональное скоростному напору. Следовательно, при выходе потока из отверстия с него снимается экранирующее действие стенок подводящей трубы, и он за счёт упругих сил расширяется. Далее, по мере продвижения потока сначала также за счёт действия упругих сил, внешнего давления и позднее инерционных сил, он обжимается, а далее, за счёт упругих сил снова расширяется и т.д.. Таким образом, струя представляет собой свободный поток с чередующимися по его длине областями сжатий и разрежений (Е.Г. Иванов, О радиальной составляющей струйного течения в затопленном пространстве. Сборник научных трудов 6-й Международной научно-технической конференции «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития». - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. - с.76-83.) Поэтому, все затопленные струи шумят с основной частотой, определяемой скоростью потока и диаметром сопла. Однако, выход струи из отверстия с краями сложной конфигурации, обусловленной наличием лопасти и равенством диаметров циклона и цилиндрического корпуса, определяет асимметричную деформацию вышерассмотренных периодических областей, снижение амплитуд основных частот, и появление широкого спектра частот иных значений. То есть, в силу несовершенства конструкции рассматриваемое устройство производит довольно обширный спектр частот, что вызывает следующие следствия:
- чрезмерно высокая частота колебаний (более 10 кГц) не позволяет кавитационному пузырьку приобрести необходимый запас упругой энергии и в результате процесс схлопывания не повышает температуры жидкости;
- при низкой частоте увеличенная в размерах кавитационная каверна (пузырёк) в короткую фазу схлопывания не успевает полностью исчезнуть, а только пульсирует. Отсутствие же удара при схлопывании также исключает следствия, в результате которых вода должна нагреваться.
Для повышения эффективности следует привести частоты колебаний в диапазон полезных значений, а амплитудам упругих волн придать наибольшие значения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для нагрева жидкости содержащее теплогенератор, состоящий из корпуса, имеющего цилиндрическую часть, и ускорителя движения жидкости, выполненного в виде циклона, насос, соединённый с теплогенератором посредством инжекционного патрубка, в котором установлена по крайней мере одна вставка, выполненная в виде перфорированной перегородки, и систему теплообмена, подключённую к выходному патрубку теплогенератора и к насосу (патент RU 2162571, кл. F 25 B 29/00).
Введение в известном устройстве для нагрева жидкости перфорированных перегородок частично исключает выше рассматриваемые недостатки - в этом случае каждая струйка излучает звук узкого диапазона частот, однако амплитуды этих колебаний в каждой струйке уменьшаются по сравнению с моноструёй пропорционально уменьшению их диаметров, а результат сложения действий всех струй- излучателей не является арифметической суммой.
Решающим обстоятельством истечения затопленной моноструи является то, что максимальный уровень амплитуды при заданной частоте ограничен спецификой механизма истечения такой струи. Так для увеличения амплитуды поперечного растекания потока при его выходе из сопла следует увеличить давление в канале перед выходным отверстием, что невозможно без увеличения скорости струи, а значит и частоты её звучания. Увеличение амплитуды колебаний струи путём увеличения её поперечных размеров приводит к возрастанию габаритов устройства и мощности привода.
Другой особенностью этого технического решения является то, что в этом случае реализуется ещё один источник акустического излучения - перед отверстиями и за ними от трения о проходящий поток образуются торообразные области отрывных течений, в которых за счёт действия центробежных сил от вращения создается вакуумметрическое давление. При достижении в такой области пороговой величины вакуума её герметичность нарушается, в неё устремляется приток жидкости из окружающего пространства, что сопровождается гидравлическим ударом и акустическим излучением, но уже других частот. Цена такого излучения - значительные затраты мощности на поддержание множества этих интенсивных течений и расширение спектра частот производимых колебаний.
То есть, кроме пользы наличие перфорированных перегородок в инжекционном патрубке обуславливает увеличение количества неэффективных частот, значительные гидравлические сопротивления, а значит, и большие потери мощности, и кроме того, снижение надёжности работы устройства для нагрева жидкости вследствие высокой вероятности забивания мелких отверстий твёрдыми и волокнистыми включениями (окалина, лён, герметик со стыков, чешуйки накипи, ржавчины и т. д.) в период эксплуатации.
Недостатком известного устройства является недостаточно высокая эффективность нагрева, а так же низкая надёжность работы устройства, особенно на неоднородных средах.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности нагрева жидкости и надёжности работы устройства.
Поставленная задача решается следующим образом. В устройстве для нагрева жидкости, содержащем теплогенератор, состоящий из корпуса, имеющего цилиндрическую часть, и ускорителя движения жидкости, выполненного в виде циклона, насос, соединённый с теплогенератором посредством инжекционного патрубка, в который введена по крайней мере одна вставка, и систему теплообмена, подключённую к выходному патрубку теплогенератора и к насосу, вставка выполнена в виде сплошной пластины, ориентированной вдоль инжекционного патрубка перпендикулярно торцам циклона. При этом вставка в продольном сечении может быть выполнена треугольной формы с ориентацией острым концом в сторону насоса, тупой торец вставки посредством каналов с запорно-регулирующей аппаратурой может быть сообщён с пополняющей ёмкостью, с напорным или со всасывающим патрубками насоса, с обтекателем, а также вставка может быть выполнена в виде упругой пластины равной толщины с заострёнными входным и выходным, а также входным или выходным по отношению к инжекционному патрубку концами, установленной с зазором на шарнирных опорах, которые выполнены в виде шипов на боковых торцах пластины, размещённых в глухих отверстиях стенок инжекционного патрубка. Кроме того, вставка может быть выполнена в виде упругой пластины равной толщины и закреплена консольно одной боковой стороной к внутренней стенке инжекционного патрубка.
Выполнение вставки в виде сплошной пластины и ориентация её вдоль инжекционного патрубка перпендикулярно торцам циклона принудительно расширяет струю в месте входа её в циклон до больших размеров в поперечном сечении при том же массовом расходе, что и в сплошном течении. Это обстоятельство приводит к тому, что за тупым торцем каждой вставки создается значительная величина вакуума, определяющая при дальнейшем течении потока амплитуду колебательных процессов, поскольку по мере дальнейшего движения разреженного участка происходит его обжатие и последующие циклы с интенсивностью пропорциональной исходной величине вакуума (Е.Г. Иванов, А.В. Согин. Результаты исследования компьютерной модели кольцевых сопел эжекторов. Труды Международной научно-технической конференции «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика». СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008, с.61-64.).
Амплитуда колебания давления должна обеспечивать максимальный запас упругой энергии при образовании и относительно медленном росте кавитационного пузырька и возможность полного его исчезновения в относительно короткой фазе схлопывания. Наличие каналов с запорно-регулирующей аппаратурой, сообщающих область за тупым торцем вставки с пополняющей емкостью, а так же с напорным или со всасывающим патрубками насоса позволяет регулировать величину вакуума в месте входа струи в циклон, а значит и подстраивать величину амплитуды колебаний давления до требуемых значений, и кроме того использовать их для технологических нужд (Иванов Е.Г., Параметры истечения комплекта коаксиальных струй. Материалы Всероссийской научно технической конференции. - Саранск: Изд-во Мордов. Ун-та, 2009. с .255-258).
Следует также отметить, что область за  тупым торцем каждой из вставок является также источником колебаний. Механизм этих колебаний сводится к образованию этой области, росту её размеров и глубины вакуума, нарушению герметичности за счет разрушения обтекающего её потока от возросшей разности давлений, заполнению этой области жидкостью с последующим гидравлическим ударом и далее вновь образованием области отрыва и т. д.. Этот процесс, во-первых, создает колебания нерегламентированных частот, на что затрачивается мощность.   Во-вторых, в каждой из этих областей отрыва от трения с обтекающим потоком имеет место возвратное течение, на поддержание которого  также затрачивается дополнительная непроизводительная энергия, что  в совокупности снижает эффективность рабочего процесса устройства. Для снижения уровня указанных негативных явлений следует либо постоянно заполнять каждую из этих областей рабочей жидкостью по указанным ранее каналам, либо уменьшить  объём областей путём заполнения их твердым материалом, в виде обтекателей. В первом случае исчезнут паразитные колебания, во втором - уменьшатся объёмы циркулирующей жидкости, что снизит непроизводительные затраты мощности, а также амплитуду ударов. Частота  схлопываний увеличится на несколько порядков, что снизит поглощение  полезных колебаний паразитными.
Выполнение вставки в виде упругой пластины равной толщины с заостренными входным и выходным, а также входным или выходным по отношению к инжекционному патрубку концами, установленной с зазором на шарнирных опорах, которые выполнены в виде шипов на боковых торцах пластины, размещённых в глухих отверстиях стенок инжекционного патрубка обуславливает пластине дополнительную способность - при натекании на неё потока жидкости в пластине возбуждаются изгибные колебания в направлении, перпендикулярном её плоскости, с максимумом посередине опор. Дополнительным условием протекания указанного процесса является необходимость размещения крепежных шипов в узловых точках пластины с учётом частот собственных колебаний (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П. Голямина. М.:» Советская энциклопедия», 1979. - с. 79-80).
Закрепление этой же упругой пластины равной толщины консольно одной боковой стороной к внутренней стенке инжекционного патрубка также обуславливает создание пластиной при обтекании её потоком жидкости поперечных колебаний, и кроме того обеспечивает удобство при выполнении сборочных работ.
Кроме того, ориентация вставки вдоль инжекционного патрубка увеличивает проходные сечения канала патрубка, вследствие чего снижаются гидравлические сопротивления и бо′льшая мощность насоса участвует в создании полезного действия.
Предлагаемое изобретение пояснено чертежами:
Фиг.1 - общий вид заявленного устройства для нагрева жидкости;
Фиг.2 - продольный разрез инжекционного патрубка, в котором установлены две вставки с тупым выходным торцем и внутренними каналами;
Фиг.3 - продольный разрез инжекционного патрубка, в котором установлены две вставки, тупые выходные торцы которых снабжены обтекателями;
Фиг.4 - продольный разрез инжекционного патрубка, в котором упругая вставка закреплена с зазором на шарнирных опорах;
Фиг.5 - поперечный разрез инжекционного патрубка, в котором упругая вставка закреплена консольно.
Устройство для нагрева жидкости содержит теплогенератор, состоящий из корпуса, имеющего цилиндрическую часть 1 и ускорителя движения жидкости, выполненного в виде циклона 2, на входе в который установлен инжекционный патрубок 3, кроме того, в состав теплогенератора входят первая тормозная система 4, установленная в выходном участке цилиндрической части корпуса, вторая тормозная система 5, расположенная на выходе из циклона, выходной патрубок 6, перепускной патрубок 7, вставка 8, выполненная в виде сплошной пластины, содержащая полые каналы 9, которые могут быть соединены запорно-регулирующей аппаратурой 10 с пополняющей ёмкостью 11, со всасывающим 12, или нагнетательным 13 патрубками насоса 14 и систему теплообмена 15. Ускоритель движения жидкости 2 имеет по контуру вид спирали или окружности и стыкуется с насосом 14 при помощи инжекционного патрубка 3, в котором установлены одна или несколько вставок 8. Устанавливаемые в инжекционном патрубке 3 пластины 8 размещаются вдоль патрубка 3 перпендикулярно торцам циклона 2 и могут либо запрессовываться, либо поджиматься общим торцовым фланцем 16 инжекционного патрубка 3 и циклона 2, либо крепиться неразъемным с одной стороны способом (сварка, пайка, клей и т. д.), либо фиксироваться при помощи шипов 17, размещенных в глухих отверстиях 18 торцовых стенок патрубка 3. При этом тупой торец вставки 8 может быть дополнен обтекателем 19, заострённым в сторону циклона и размещённым в нём за обрезом сопла. Система теплообмена 15 включает в себя магистрали, запорные вентили, радиаторы, датчики температуры, и другие блоки. К входу системы теплообмена 15 присоединён выходной патрубок 6 теплогенератора, а выход системы теплообмена подключён к насосу 14.
Устройство для нагрева жидкости работает следующим образом. Насос 14 под избыточным давлением (4-6 атмосфер) нагнетает воду в инжекционный патрубок 3 теплогенератора (Фиг.1). По мере прохождения инжекционного патрубка поток воды обжимается и поэтому ускоряется, а также разделяется на несколько составляющих частей вследствие наличия вставок 8 в виде сплошных пластин увеличивающихся в сечении по ходу продвижения его к циклону (Фиг.2). При выходе из сопла между образовавшимися элементами потока за торцами пластин 8 образуются зоны отрыва. Из этих областей за счёт эжекции производится унос частиц жидкости с потоком, что вызывает глубокое падение давления в них до вакуумметрических значений. В этом случае вставки принудительно расширяют струю в месте входа её в циклон до больших размеров в поперечном сечении при том же массовом расходе, что и в сплошном течении, и тем самым обуславливают глубокий вакуум на этом участке струйного течения.
Другим обстоятельством этого процесса является то, что зоны отрыва обуславливают искривление траекторий элементов потока по направлению возможного притока жидкости, а также градиента давления, то есть  на периферию, в сторону обечайки циклона 2. Следствием этого факта является соударение плоских щелевых струй со значительным повышением давления в месте их встречи и далее, за счёт рикошета друг об друга последующее расширение итогового струйного течения, далее - обжатие, снова - расширение и т.д. При этом, по мере продвижения каждого элемента струи по чередующимся областям вакуумметрического и манометрического давлений, в нём образуются и схлопываются кавитационные каверны, обеспечивая нагрев воды, или другой технологической жидкости. Управляющими факторами этого процесса могут являться:
- максимальная толщина и количество вставок 8, определяющие степень расширения струи;
- толщина плоских элементов струй, определяемая местоположением вставок 8;
- величина вакуума в зонах отрыва, управляемая каналами 9 с запорной арматурой 10, соединёнными как с источником вакуума 12, так и с источниками давления 11, 13.
Значение вакуума в каждой области отрыва величина переменная. Она может расти от номинального уровня, соответствующего давлению в струе, до максимального (пропорционального скоростному напору) за счёт эжекции. Поскольку при достижении порогового значения вакуума происходит нарушение герметичности зоны отрыва за счёт разрушения плоского элемента струи под действием разности давлений. Разгерметизация же сопровождается пополнением области отрыва жидкостью из окружающего пространства и гидравлическим ударом. Частота этого периодического процесса определяется:
- скоростью струйного потока;
- толщиной плоского струйного элемента;
степенью коррекции вакуума в области отрыва запорно-регулирующей аппаратурой 10 через каналы 9.
Причём периодический процесс роста и разрушения зоны отрыва происходит в противофазе с процессом расширения и обжатия струи и в данном случае его последствия вредны.  Кроме того, в объёме областей отрыва за счёт трения об обтекаемый поток имеет место интенсивное возвратное течение, на поддержание которого затрачивается энергия. Чтобы снизить негативное влияние областей отрыва следует:
- либо увеличить толщины плоских элементов потока;
- либо снизить максимальную величину вакуума за счёт притока жидкости через каналы 9 из пополняющей ёмкости 11, или напорного патрубка 13 насоса 12;
- либо заполнить всю или часть области отрыва твёрдым объёмом в виде обтекателя 19, заострённого в сторону циклона 2 и размещённого в нём за обрезом сопла (Фиг. 3).
Вставка 8 также может быть изготовлена в виде упругой пластины равной толщины с заострёнными входным и выходным по отношению к инжекционному патрубку концами и установлена с зазором по боковым сторонам на шарнирных опорах, выполненных в виде шипов 17 на боковых торцах пластины и размещённых в глухих отверстиях 18 стенок инжекционного патрубка 3 (Фиг. 4).
В этом случае ускоряющийся в инжекционном патрубке поток, обтекая пластину, вызывает в ней изгибные колебания относительно узловых точек закрепления 17. Частота этих колебаний определяется упругими свойствами жидкости и материала пластины, расстоянием между точками закрепления, толщиной и шириной пластины, скоростью потока. При соответствии скорости потока собственной частоте колебаний пластины наступает резонансный режим, обуславливающий колебания поверхностного слоя струйного потока вышедшего из затопленного отверстия в циклон. При движении поверхностного слоя во внешнем направлении в прилегающей области потока создаётся вакуумметрическое давление, при движении поверхностного слоя внутрь потока - повышенное давление. То есть по пути следования потока чередуются зоны высокого и вакуумметрического давлений, в которых зарождаются и схлопываются кавитационные каверны, обеспечивающие нагрев воды. Заострённые окончания входного и выходного окончания пластины снижают гидродинамическое сопротивление при её колебательном процессе в набегающем потоке.
Закрепление пластины 8 консольно (Фиг. 5) одной боковой стороной к внутренней стороне стенки инжекционного патрубка 3 предполагает аналогичные колебательные процессы, только колебания производятся относительно линии закрепления, а их частота определяется геометрическими параметрами уже продольного сечения пластины. При этом, для проявления действия вакуумметрических областей отрыва пластина не должна колебаться, т. е. её  жесткость должна быть значительной, для вибрационного воздействия на поверхностный слой струи её жесткость должна обеспечивать требуемое значение частоты собственных колебаний.
В результате предлагаемых мероприятий проходящий через циклон 2 вихревой поток в разных секторах подвергается воздействию глубоких перепадов давления, что вызывает образование и схлопывание на зародышах (инородные включения, неоднородности жидкости и т.д.) кавитационных каверн. При росте каждой такой каверны происходит накопление упругой энергии, а при схлопывании - её уплотнение, как в пространстве, так и во времени, в результате чего в точке схлопывания жидкость разогревается до 6000 градусов.
По мере дальнейшего движения вихревой поток устремляется в цилиндрическую часть корпуса 1, проходя который взаимодействует с первой тормозной системой 4, выполненной, например, в виде системы стержней. Каждый из стержней от действия  набегающего вихревого потока колеблется с частотой собственных колебаний и передаёт эти колебания жидкости, в которой вновь образуются и схлопываются кавитационные каверны с выделением тепловой энергии.
Сама цилиндрическая часть корпуса 1 является резонатором упругих колебаний, производимых по её торцам в циклоне 2 и первой тормозной системой 4. При длине цилиндрической части корпуса 1 кратной целому числу полудлин волн в ней наступает резонанс с образованием стоячей волны. В пучностях такой волны (середина цилиндрической части корпуса 1) в результате этого процесса имеет место глубокие перепады давлений во времени, что является следующим источником образования теплоты.
После выхода из патрубка 6 нагретая жидкость проходит через элементы системы отопления 15 и попадает во всасывающий патрубок 12 насоса 14 для участия в следующем цикле рабочего процесса выработки тепловой энергии.