ТЕПЛОГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к теплогенераторам, а именно, к вихревым теплогенераторам, предназначенным для нагрева жидких сред, например воды, в системах водяного отопления или горячего водоснабжения и могут быть использованы в других отраслях народного хозяйства.
Известен теплогенератор Горлова (патент RU №2204770 М. кл. F25B 29/00), содержащий корпус в виде усеченного конуса, ускоритель движения, выполненный в виде циклона, торцевая сторона которого соединена с корпусом, а боковая посредством инжекционного патрубка с электроприводным насосом, тормозные устройства, смонтированные: одно в основании корпуса, противолежащем циклону, то есть перед шайбой, внутренняя поверхность которой выполнена в виде сферической формы, другое - дополнительное в перепускном патрубке, после зоны соединения его с циклоном, сообщающимся с входным концом байпасного трубопровода, который соединен с входным патрубком насоса.
В предложенной конструкции решается задача повышения к.п.д. устройства путем более качественного отбора, нагретого за счет трения о внутреннюю поверхность корпуса, потока воды от холодного, однако, проведенные конструктивные мероприятия не решают основной задачи повышения общего количества вырабатываемого тепла, и кроме того уменьшение радиуса вращения существенно повышает гидравлические потери вихревого потока и снижение эффективности устройства в целом
Известен теплогенератор (патент №2045715, М. кл. 6 F25B 29\00), принятый за прототип, содержащий корпус в виде цилиндрической трубы, ускоритель движения, выполненный в виде циклона, торцевая сторона которого соединена с корпусом, а боковая посредством инжекционного патрубка с электроприводным насосом, тормозные устройства, байпасный трубопровод, сообщающий полость циклона с выходным патрубком корпуса.
В известном теплогенераторе рабочий процесс основан на явлении акустической кавитации. При прохождении отрицательного полупериода звуковой волны через точку-зародыш жидкости (Фиг. 1) вокруг нее давление уменьшается до давления насыщенных паров, и жидкость рвется с образованием парогазовой каверны. Последующее нарастание давления положительного полупериода приводит к схлопыванию такой каверны и получению в точке схлопывания очень высокой плотности энергии, которая и является источником тепла. При этом имеются наиболее благоприятные размеры каверн, то есть они должны успеть за полупериод захлопнуться (иначе они просто будут пульсировать), и в то же время они должны иметь достаточные размеры, чтобы саккумулировать необходимый запас энергии. Следовательно, наиболее эффективная частота звукового поля находится в относительно узком диапазоне.
Теплогенератор рассматриваемого типа представляет из себя гидродинамический свисток: одним источником возбуждения звука в котором является циклон, а другим - тормозное устройство, расположенное на стороне противоположной циклону. При настроенных на заданные частоты этих элементах и правильно подобранной длине корпуса в нем возникает стоячая волна с пучностью в середине длины, которая сообщает жидкости по сравнению с обычной проходящей волной удвоенную энергию. В таком виде устройство работает наиболее рационально.
Однако, образование кавитационных каверн само по себе приводит к изменению плотности рабочей жидкости, она меняет свои волновые характеристики, и скорость распространения звуковой волны уменьшается, нарушая условие существования стоячей волны. Следовательно, снижается, как минимум в два раза, энергетический уровень каждого акта схлопывания, образуются звуковые волны различных частот.
Во-вторых, при работе на реальных жидкостях при схлопывании кавитационных каверн разрушаются молекулярные структуры - кристаллогидраты, в которых находились молекулы растворенного ранее газа, и он высвобождается в свободное состояние.
В-третьих, растворенный ранее в жидкости воздух, выделяется в свободное состояние и вследствие резкого градиента давлений вдоль радиуса вращающегося вихревого потока, а так же высокой степени его турбулентности. При этом, более легкая газовая среда за счет замещения более тяжелой жидкой от действия центробежных сил стремится собраться в приосевой области и по всему пути следования к выходному отверстию увеличивает свою концентрацию, нарушая в еще большей степени условия для образования стоячей волны.
Если проводить мероприятия по удалению газовой составляющей потока, то с одной стороны повышается эффективность рабочего процесса, но не значительно, а с другой дополнительно усложняется структура концентрации газа вдоль оси корпуса. Так при открытом (рабочем) состоянии байпасного трубопровода большая часть газового объема отводится из начальных участков рабочего пространства корпуса через байпас в выходной патрубок, а установка на конечном участке корпуса в приосевой части дополнительной дренажной трубки обедняет от воздуха конечную часть потока. В итоге, полученные таким образом, переменные волновые характеристики рабочей среды вдоль осевого направления корпуса, причем свои для каждого конструктивного исполнения теплогенератора, также не позволяют в полной мере реализовывать положительные возможности проводимых мероприятий по совершенствованию устройства.
Задачей настоящей полезной модели является повышение коэффициента полезного действия теплогенератора.
Данная задача решается тем, что в теплогенераторе, содержащем корпус в виде трубы, ускоритель движения, выполненный в виде циклона, торцевая сторона которого соединена с корпусом, а боковая посредством инжекционного патрубка с насосом, тормозные устройства, байпасный трубопровод, сообщающий полость циклона с выходным патрубком корпуса, корпус выполнен с изменяющимися толщиной стенки, внутренним диаметром и модулем упругости материала.
Предлагаемое исполнение корпуса, согласно закономерности, установленной Н.Е. Жуковским для скорости звука в трубе с жидкостью
,
где D - внутренний диаметр корпуса;
δ - толщина стенки корпуса;
E - модуль упругости материала корпуса.
Е″ - модуль объемной упругости жидкости или смеси;
ρ - плотность жидкости или смеси;
позволяет скомпенсировать уменьшение скорости звука в локальной части корпуса с присутствием парогазовой каверны за счет утолщения стенок, выполнения их более жесткими, уменьшения внутреннего диаметра на этом участке корпуса в величинах пропорциональных соотношению газовой и жидкой фаз по расчетным сечениям.
Постоянная скорость звука позволит подбором длины корпуса кратно целому числу полудлин волн усилить и довести до резонанса требуемые частоты, и кроме того ослабить стохастические гармоники, не входящие в благоприятный диапазон. Настройка устройства под благоприятные частоты может осуществляться, как всей совокупностью параметров, так и каждым по отдельности.
Предлагаемое изобретение пояснено чертежами:
Фиг. 1. Физический принцип действия звуковой кавитации;
Фиг. 2. Теплогенератор, общий вид;
Фиг. 3. Визуализация кавитационной полости на стеклянном исполнении теплогенератора (фронтальный вид);
Фиг. 4. Визуализация кавитационной полости на стеклянном исполнении теплогенератора (вид с боку);
Фиг. 5. Зависимость относительных длин и объемов кавитационных полостей для различных рабочих температур.
Теплогенератор содержит корпус 1 в виде трубы с входной частью 2, соединенной с ускорителем движения, выполненным в виде циклона 3, который боковой частью посредством инжекционного патрубка 4 связан с насосом 5, приводящимся в движение двигателем 6, тормозные устройства, смонтированные: одно 7 в основании корпуса 1, противолежащем циклону 3, то есть перед шайбой 8, другое - дополнительное 9 в перепускном патрубке 10, сообщающимся с входным концом байпасного трубопровода 11, который заканчивается на выходном патрубке 12 корпуса 1, соединенном с потребителем тепла (не показан). Соединение выхода 12 с всасывающим патрубком насоса 5 осуществляется по трубопроводу 13, а подпитка контура производится через косой вход 14. Регулирование перетока по байпасной линии осуществляется краном 15.
В варианте отсутствия байпаса 11 или его отключенном состоянии, например краном 15, работа устройства происходит следующим образом. Насос 5, приводимый в движение двигателем 6, забирая воду из трубопровода 13 и патрубка 14 (если из системы происходит отбор через выходной патрубок 12) нагнетает ее под высоким давлением (5-7 атмосфер) через эжекционный патрубок 4 в циклон 3. В сужающемся патрубке 4 вода ускоряется до скорости V=30 м/с, и тангенциально входя в циклон 3 закручивается в нем, образуя вихревой поток. По мере движения от периферии циклона к центральному входному отверстию в корпус 1 линейная скорость жидкости еще более возрастает, до V=45-55 м/с (циклон 3 работает как конфузор). Втекая с такой скоростью во входную часть 2 корпуса 1, жидкость в нем образует вынужденный вихрь, который обуславливает за счет значительных центробежных сил создание на оси вращения глубокого вакуума (особенно в вакуумметрическом режиме работы устройства), что вызывает в центральной части вихревого потока образование парогазовой кавитационной полости диаметром d (Фиг. 2). Двигаясь внутри корпуса 1, поток участвует в двух видах движения: вихревом и осевом-расходном, обеспечивающих винтовые траектории каждой частичке потока и значительный путь трения ему о внутреннюю поверхность корпуса 1. Высокие скорости при трении создают значительные гидравлические сопротивления, которые в совокупности с гидравлическими потерями от вращения снижают скорость потока на каждом последующем витке, а значит вызывают и рост поперечных размеров в радиальном направлении с постепенным замещением пространства кавитационной полости. При полном замещении парогазовой полости скоростные параметры потока в последующем движении осредняются, и он омывает пластины тормозного устройства 7. Причем, тормозное действие пластин 7 и факт осреднения скоростных параметров потока также способствуют уменьшению в поперечном сечении размеров центральной кавитационной парогазовой полости, форма которой приближается к параболоиду вращения (Фиг. 3).
Подобную форму имеют все поверхности равного давления, и это обстоятельство определяет возникновение в центральной области в сторону циклона обратных токов, поскольку в любом концентричном цилиндрическом сечении центральной части пересекаются разные эквипотенциальные поверхности, образующие градиент давлений в осевом направлении.
При гидродинамическом взаимодействии с вращающейся жидкостью каждая пластина 7 тормозного устройства отгибается, и в определенный момент происходит срыв вихря с ее поверхности и ослабление отгибающей силы. За счет упругих свойств она возвращается в исходное положение и далее, проходя его, за счет инерционных сил устремляется в противоположное крайнее положение, накапливая энергию упругости. После того, как весь запас кинетической энергии от движения по инерции перейдет в потенциальную форму упругих сил, каждая пластина 7 под действием этих сил и сил гидродинамического взаимодействия с потоком начнет двигаться вновь в первоначальном направлении, излучая в жидкость вдоль корпуса упругие акустические волны. Облучение пространства, заполненного жидкостью, таким звуковым полем (ν=1÷10 кГц) вызывает возникновение кавитационных пузырьков - в течение отрицательного полупериода (Фиг. 1), и их схлопывание в полупериод роста давления. Вследствие высокой концентрации энергии в точках схлопывания этих пузырьков, распределенных по всему рабочему объему корпуса 1, происходит разогрев жидкости.
Для того, чтобы этот процесс проходил полно, целенаправленно, без дополнительных сопутствующих явлений, необходимо, чтобы излучались частоты узкого звукового диапазона. Следует создать условия, что бы звуковая волна, распространяясь вдоль корпуса 1, проходила участки с различными акустическими характеристиками с постоянной скоростью.
Для рассматриваемого технологического случая толщина стенки корпуса δ и его упругие характеристики E увеличиваются в направлении циклона 3, а внутренний диаметр корпуса D уменьшается по поперечным сечениям в зависимости от соотношения газовой и жидкой фаз, что позволяет сохранить значение скорости распространения волны постоянным по всей длине трубы корпуса 1. Последнее обстоятельство позволит при изначально выбранной длине корпуса равной целому числу полудлин волн получить стоячую волну с узлами, например, по концам корпуса 1 и с пучностью в его середине. Энергия такой волны имеет максимальное значение, при этом будут усиливаться лишь волны заданной частоты, а колебания пластин тормозного устройства перейдут в резонансный режим. В итоге процесс выработки тепла будет происходить наиболее полно и по всему рабочему объему теплогенератора.
При использовании теплогенератора в режиме открытой байпасной линии 11 за счет открытия крана 15 газовая полость по ней уходит в выходной патрубок 12 и далее либо на повторный цикл в циркуляционный трубопровод 13, либо на технологическую нагрузку. В этом случае закономерность распределения газовой фазы изменится, ее концентрация будет увеличиваться, за счет выделения ранее растворенного воздуха, в направлении выходного патрубка 12, причем с локальным максимумом выделения в середине корпуса. При таких условиях следует диаметр корпуса D уменьшать, но уже к выходу, а толщину стенки δ и модуль упругости E в этом же направлении увеличивать.
Если использовать центральный перепускной патрубк 10 для ввода транзитного потока или его части, то это приведет к заполнению центральной парогазовой полости диаметра d (на фигурах не показано) жидкостью и видоизменит структуру распределения концентрации воздуха, что потребует других закономерностей изменения δ, D, d. Отбор газовой составляющей в конце корпуса 1 дренажной трубкой (на фигурах не показано) обуславливает четвертый вариант значений δ, D, d и т.д..
При этом для каждой температуры рабочей среды, а значит и для каждой технологической операции, размеры парогазовой полости имеют свои значения - ее объем растет с повышением температуры (Фиг. 5). К тому же температура по длине трубы корпуса 1 также изменяется, следовательно, для каждого рабочего диапазона температур конструктивные элементы устройства имеют свой размер и упругие характеристики.
Применение предлагаемого технического решения позволит повысить эффективность каждого из возможных конструктивных вариантов теплогенератора, причем, при всех вариантах технологического использования.