УСТАНОВКА ДЛЯ НАГРЕВА ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к теплотехнике и может быть использована во всех отраслях народного хозяйства для получения значительного количества тепловой энергии, а именно, для тепловых установок нагрева жидкости в промышленности, жилищно-коммунальной отрасли, в сельском хозяйстве, в частности в системах отопления зданий и сооружений, подогрева воды для производственных и бытовых нужд, сушки сельхозпродуктов.
Традиционные источники энергии на основе углерода, такие как нефть и уголь, истощаются. В дополнение, экологические угрозы, основанные на использовании человеком таких источников энергии, считаются потенциально разрушительными для жизни на Земле. Одной из основных целей большинства государств является поиск источников энергии, которые обеспечивают потребности человека при незначительном вкладе в атмосферный диоксид углерода или другие "парниковые газы".
Известны различные способы нагрева воды и созданные на их основе конструкции различных устройств, использующих для получения тепловой энергии изменение физико-механических параметров среды, например, давления и объема в движущемся потоке воды.
Известен способ гидродинамического нагрева жидкости (патент РФ 2156412, м.кл. F24J 3/00, 2001), по которому нагрев достигается повышением аномальной генерации тепла за счет ударного гидродинамического торможения на встречных струях кавитирующей жидкости, вытекающей с большой скоростью из встречно направленных соосных сопел.
Известен способ получения тепла (патент РФ №2165054, м.кл. F24J 3/00, 2001), в котором тепло, нагревающее воду, получают путем формирования вихревого потока воды и обеспечения кавитационного режима его течения при резонансном усилении возникающих звуковых колебаний в этом потоке и подаче воды в поток при температуре 63-90°C.
Известен способ гидродинамического нагрева воды и установка для нагрева воды (патент РФ 2480682, м.кл. F24J 3/00, 2012). В котором тепло получают в теплогенераторе установленном в замкнутом контуре, при котором формируют вихревой поток воды, за счет преобразования насосом напора, и ускоряют полученный поток в ускорителе движения воды. При этом на входе в теплогенератор поток воды разрывают воздушной полостью в зоне ее фазового перехода, в которой обеспечивают соударение капель воды при ее выходе в конусах распыления.
Известно устройство для нагрева жидкости (патент РФ 2162571, м.кл. F24D 3/02, F24H 4/02, 2001) содержащее теплогенератор, состоящий из корпуса, имеющего цилиндрическую часть, и ускорителя движения жидкости, выполненного в виде циклона, насос, соединенный с теплогенератором посредством инжекционного патрубка, и систему теплообмена, подключенную к выходному патрубку теплогенератора и к насосу, причем в инжекционном патрубке установлена, по крайней мере одна вставка, выполненная в виде перфорированной перегородки, при этом предпочтительно первую вставку устанавливать на расстоянии 20-150 мм от выходного отверстия инжекционного патрубка; перфорации в перегородке выполнять в виде круглых отверстий, которые равномерно распределены по всей поверхности перегородки. В данном устройстве при завихрении потока воды вблизи кромки входного отверстия образуется множество кавитационных пузырьков, которые раздуваются и затем объединяются в одну тороидальную каверну, которая пульсирует вокруг входной кромки перегородки под действием пульсаций в поступающем потоке, создаваемых насосом. Вокруг образующейся тороидальной каверны циркулирует поток воды, обусловленный турбулентным завихрением на входе в отверстие.
Однако известные способы и установки обладают низкой эффективностью нагрева воды.
Наиболее близким к заявляемому устройству, известным техническим решением (прототипом) является теплогенератор и устройство для нагрева жидкостей (патент РФ 2045715, м.кл., F25B 29/00, 1995). В устройстве для нагрева жидкости, содержащем теплогенератор, рабочий сетевой насос с электроприводом, соединенный с корпусом теплогенератора, подающий и обратный трубопроводы с запорными вентилями, обеспечивающие взаимосвязь теплогенератора с теплообменниками. Теплогенератор имеет ускоритель движения жидкости, связанный с насосом посредством инжекционного патрубка, соединенного с боковой стороной ускорителя движения жидкости. Выходное отверстие инжекционного патрубка выполнено по форме параллелограмма. Благодаря тому, что корпус теплогенератора в нижней части оснащен циклоном, рабочая жидкость под давлением, тангенциально поступая в него, проходит по спирали. Движение жидкости приобретает характер вихревого, скорость ее возрастает, и она попадает в цилиндрическую часть корпуса, диаметр которой в несколько раз превышает диаметр инжекционного отверстия, а затем в тормозное устройство. Такое конструктивное выполнение корпуса позволяет снизить скорость и давление среды, при этом в соответствии с известными законами термодинамики изменяется механическая энергия жидкости, направленная на возрастание ее температуры.
Сущность работы теплогенератора по прототипу заключается в ускорении потока в циклоне и постадийном срабатывании полученной кинетической энергии на тормозных устройствах различной конструкции. При торможении вращения вихревого потока воды на ребрах тормозного устройства возникает кавитация. Сопровождающие ее звуковые колебания усиливаются на частотах, резонансных с собственными частотами звуковых колебаний столба воды в цилиндрической части вихревой трубы, как в резонаторе. При этом кавитация усиливается и возникает развитая сонолюминесценция. В результате этих эффектов, а также из-за трения о стенки трубы и тормозного устройства вода нагревается и на выходе из вихревой трубы ее температура повышается вплоть до температуры кипения воды.
Недостатком способа получения тепла является то, что кавитация и развитая сонолюминесценция, являющиеся источником дополнительной энергии данного устройства, образуются за счет торможения потока воды о специальное тормозное устройство. Огромная часть кинетической энергии потока воды тратится на получение довольно слабой кавитации и сонолюминесценции. Однако КПД на каждой стадии срабатывания кинетической энергии - невысок, отсюда следует, что и суммарный КПД не может быть высоким, поэтому, недостатком известного устройства является сравнительно низкая эффективность нагрева воды.
Задачей заявленного технического решения является получение более энергоэффективной установки.
Технический результат заключается в повышении эффективности за счет интенсификации процесса нагрева жидкости и снижения энергозатрат, при использовании молекулярных связей воды направленных на получение и усиление кавитации в вихревом потоке воды для получения тепла.
Поставленная задача достигается тем, что в установке для нагрева жидкости, содержащей теплогенератор, оснащенный ускорителем движения жидкости, циркуляционный насос с электроприводом, соединенный с теплогенератором, подающий и обратный трубопроводы с запорными вентилями, обеспечивающие взаимосвязь теплогенератора с теплообменниками, согласно заявляемому решению, ускоритель движения жидкости выполнен из не менее трех вихревых труб, соединенных под прямым углом между собой цилиндрическими частями теплогенератора в замкнутый циркуляционный контур, при этом, на входе в вихревых трубах установлен направляющий цилиндр, и на цилиндрической части теплогенератора, между последней вихревой трубой и циркуляционным насосом закреплен через запорные вентили, расширительный мембранный бак, кроме того, перед входом в первую вихревую трубу и перед расширительным мембранным баком установлены краны Маевского.
Конструкцию дополняют частные отличительные признаки, способствующие достижению поставленной задачи.
Перед запорным вентилем установлен предохранительный клапан.
Перед расширительным мембранным баком установлены манометры.
Основное отличие заявляемой конструкции состоит в дополнении циркуляционного контура расширительным мембранным баком. Отделяемым запорным вентилем. Совокупность существенных признаков позволяет полностью изменить принцип работы всей установки и получить гораздо более мощную кавитацию не за счет механического воздействия напора воды на тормозные устройства разных типов, как предложено в прототипе, а за счет получения огромного отрицательного давления в воде после конденсации газа при понижении температуры в системе.
Для пояснения сущности предлагаемого технического решения установки для нагрева жидкости прилагаются рисунки, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема установки, на фиг. 2 - замкнутый циркуляционный контур, заполненный водой, на фиг. 3 - замкнутый циркуляционный контур, заполненный водой в газообразном состоянии, на фиг. 4 - замкнутый циркуляционный контур, с образовавшимися зонами вакуума в воде.
Установка для нагрева выполнена в виде замкнутого циркуляционного контура, в котором имеются теплогенератор, установленный в корпус-бак 1. В нижнюю часть корпуса 1 подведен подающий трубопровод с запорным вентилем 2, а в верхнюю часть корпуса 1 - обратный трубопровод с запорным вентилем 3, обеспечивающие взаимосвязь теплогенератора с теплообменником (на фигуре не показан). Ускоритель движения жидкости выполнен из не менее трех вихревых труб 4, соединенных под прямым углом между собой цилиндрическими частями 5 теплогенератора в замкнутый циркуляционный контур. В каждой вихревой трубе 4 установлен направляющий цилиндр 6 для формирования вихря. В верхней части установки закреплен циркуляционный насос 7,перед входом в первую вихревую трубу 4кран Маевского 8. К отводу 9, установленному на цилиндрической части теплогенератора, между последней вихревой трубой 4 и циркуляционным насосом 7 присоединен через запорные вентили 10 и 11, расширительный мембранный бак 12. Отвод 9 соединяет расширительный мембранный бак 12 с циркуляционным контуром. Установленный на отводе 9 запорный вентиль 1 предназначен для заполнения системы водой. Запорный вентиль 10 отделяет циркуляционный контур и мембранный расширительный бак 12. Манометры 13 установлены на отводе 9 перед и после запорного вентиля 10. В начале отвода 9 расположен предохранительный клапан 14 на 10 бар, а перед расширительным баком 12 -кран Маевского 15. В нижней части расширительного бака 12 установлен штуцер с золотником 16.
2
Перед началом работы весь замкнутый циркуляционный контур заполняется водой через запорный вентиль 11. Пять процентов от объема воды в замкнутом циркуляционном контуре поступает в расширительный бак 12, после чего запорный вентиль 11 закрывают. Затем нагнетается воздух в расширительный бак 12 через штуцер 16 до давления 9 кг/см. Производится кратковременный пуск циркуляционного насоса 7 для перемещения, оставшегося в циркуляционной системе воздуха к кранам Маевского 15 и 8. Насос 7 отключается, после чего воздух полностью удаляется из системы через краны Маевского 15 и 8 (фиг. 2).
Включается насос 7, и начинается циркуляция и нагрев потока воды по замкнутому циркуляционному контуру. Вода в контуре нагревается до 100-170°C. Нагрев осуществляется без отбора тепла с циркуляционного контура. После чего обороты насоса 7 уменьшают до 1500 об/мин. (для уменьшения разницы в давлении, создаваемом в газовом вихре), а давление в контуре сбрасывается, через штуцер 16 до давления водяного пара необходимой температуры (таб. 1). В таблице 1 приведены значения давления водяного пара при температурах выше 100°C. После уменьшения давления вода переходит из жидкого состояния в газообразное состояние, излишний объем газа выдавливается в мембранный расширительный бак 12 (фиг. 3). Перекрывается запорный вентиль 10 между циркуляционным контуром и расширительным баком 12. После чего количество молекул воды в газообразном состоянии внутри циркуляционного контура соответствует температуре и давлению полученной среды. При охлаждении циркуляционного контура ниже температуры кипения воды при соответствующем давлении (таб. 2), молекулярные связи восстанавливаются, и газ конденсируется, но так как объем циркуляционного контура больше чем объем воды в жидком состоянии, в воде образуется вакуум (фиг. 4). При этом в вихревом потоке воды возникает мощная кавитация и развитая сонолюминесценция. Явление кавитации связано с локальным растяжением в жидкости, вызывающим рождение рост и последующее схлопывание парогазовых пузырьков. Интенсивность кавитационных процессов напрямую зависит от величины растягивающего напряжения в жидкости (В.Е. Виноградов Подавление центров кавитации в воде при импульсном растяжении). В таблице 2 приведены значения зависимости температуры кипения воды от давления. Температура воды начинает быстро расти. Реакция прекращается, когда температура воды поднимается и вода переходит в состояние газа, с соответствующими показателями температуры и давления.
Таб. 1
Температура, °C
105
110
115
120
130
140
150
160
170
Давление пара кг/см<sup>2</sup>
1,23
1,362
1,726
2,02
2,76
3,69
4,87
6,32
8,1
Таб. 2
Температура, °C
99,09
110,79
119,62
126,79
132,88
142,92
151,11
158,08
164,17
169,61
Давление, кг/см<sup>2</sup>
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
Отбор тепла от теплогенератора происходит при охлаждении внешней поверхности циркуляционного контура. Охлаждение можно проводить при установке циркуляционного контура в нагреваемую воду. Горячую воду, выходящую из корпуса-бака, либо непосредственно подают потребителю горячей воды (в душевые, кухни, мойки и т.п.), либо снимают с нее тепло с помощью теплообменника, а саму воду возвращают по замкнутому контуру в корпус-бак. В первом случае отпадает необходимость в теплообменнике и повышается коэффициент использования тепла. Поэтому потребители чаще всего используют первую схему, которая и проще в исполнении. При ней в корпус-бак установки все время подают свежую воду, имеющую комнатную или более низкую температуру (температуру водопроводной воды).