КОМБИНИРОВАННЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
COMPLEX METHOD OF RECEIVING OF HEAT ENERGY IN LIQUID AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к способам получения тепловой энергии, образующейся иначе, чем в результате сгорания топлива.
Известно устройство для нагревания текучей среды (см. патент US №5188090, МПК F24C 9/00, публ. 23.02.1993). Устройство содержит цилиндрический ротор, у которого цилиндрическая поверхность имеет определенное число неровностей или отверстий, вращающийся внутри корпуса, чья внутренняя поверхность примыкает к цилиндрической и торцевой поверхности ротора. Опорная шайба, которая служит для монтажа внутри нее подшипников и сальников для вала и ротора, примыкает к обеим сторонам корпуса. Опорные шайбы имеют полые части, которые соединяются с полостью между корпусом и ротором. В опорной шайбе сделаны впускные каналы, через которые текучая среда проходит в полость корпус/ротор в зоне вала. Корпус имеет один или более выпускных каналов, через которые текучая среда при повышенном давлении и температуре покидает устройство. Вал приводится в движение электродвигателем или другим двигателем.
Недостатком данного устройства является низкая теплопроизводительность из-за невысоких динамических параметров движущейся жидкости и неэффективного использования рабочих поверхностей ротора и корпуса.
Известен способ генерации тепла и теплогенератор (см. патент RU №2241919, МПК F24J 3/00, публ. 10.12.2004, бюл. № 34). По этому способу получают тепловую энергию из механической, полученной жидкостью от двигателя насоса, осуществляющего ее циркуляцию по замкнутому контуру. На выходе из насоса осуществляется дросселирование жидкости, а на входе - стравливание давления в ней.
Недостатком данного способа генерации тепла является низкая теплопроизводительность, обусловленная недостаточной механоактивацией жидкости, что в конечном итоге приводит к большой инерционности системы, не позволяющей получить практически приемлимый результат.
Известен теплогенератор и устройство для нагрева жидкостей (см. патент RU №2045715, МПК F25В 29/00, публ. 10.10.1995 г., бюл. № 28), принятый за прототип. Устройство состоит из вихревой трубы в виде корпуса, оснащенной циклоном с входным патрубком, в основании которой смонтировано тормозное устройство, после которого размещено выходное отверстие, сообщающееся с выходным патрубком. По этому способу жидкость с помощью насоса подают на вход вихревой трубы. С помощью циклона жидкость закручивают в вихревой поток, который направляют в цилиндрическую часть вихревой трубы, где жидкость перемещается, быстро вращаясь, от ее холодного входа к горячему концу. В горячем конце вихревой трубы перед ее выходным отверстием устанавливают тормозное устройство, имеющее несколько ребер, радиальных к оси трубы, которые закреплены на центральной втулке соосно с трубой. При торможении вращения вихревого потока жидкости на ребрах тормозного устройства возникает кавитация. В результате кавитации, а также из-за трения о стенки трубы и тормозного устройства жидкость нагревается и на выходе из вихревой трубы ее температура повышается.
Недостатком прототипа является низкая теплопроизводительность из-за невысоких динамических параметров движущейся жидкости, низкой эффективности кавитационных процессов и отсутствия дополнительных, в частности, ударных колебательных воздействий на жидкость, не позволяющих осуществлять ее эффективный нагрев.
Предлагаемым изобретением решается задача: повышение эффективности устройства, сокращение энергозатрат.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности преобразования энергии движущейся под давлением жидкости в тепловую энергию за счет совмещения нескольких методов воздействия на поток жидкости с целью получения тепловой энергии, в том числе за счет наложения на поток ударных колебательных воздействий.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом комбинированном способе получения тепловой энергии в жидкости, заключающемся в том, что жидкость подается на вход вихревой трубы, где она закручивается и, вращаясь, перемещается от холодного входа к горячему концу трубы и тормозится с помощью тормозного устройства, установленного перед выходным отверстием, новым является то, что нагрев на первоначальном этапе осуществляется с разделением общего потока жидкости на два самостоятельных потока, на которые с целью их нагрева воздействуют отличными друг от друга методами, общим для обоих потоков является то, что они подвергаются дросселированию, что помимо нагрева жидкости приводит к ускорению ее движения, одновременно с этим в обоих потоках организуются радиальные ударные колебательные воздействия на жидкость по всей длине вихревой трубы, нагрев первого потока жидкости происходит внутри вихревой трубы, вращающейся в направлении, противоположном направлению подачи потока, что позволяет осуществить эффективное закручивание жидкости, поддерживать высокие динамические параметры ее вращательно-поступательного движения и выполнить торможение потока при высокой скорости, способствующей активизации процесса кавитации, причем на всем протяжении движения внутри вихревой трубы поток подвергается воздействию центробежных сил, нагрев второго потока происходит за счет процессов трения и кавитации при максимальном воздействии центробежных сил вне внутренней полости вихревой трубы, являющейся в данном случае ротором, причем при одном направлении поступательного движения обоих потоков скорость потоков различна, а вращательная составляющая различна как по значению, так и по направлению, в дальнейшем происходит ударное столкновение высокодинамичных, разноскоростных и разнонаправленных потоков жидкости и отвод общего нагретого потока к потребителю тепловой энергии.
1
2
1
3
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве получения тепловой энергии в жидкости, состоящем из вихревой трубы в виде корпуса, оснащенной циклоном с входным патрубком, в основании которой смонтировано тормозное устройство, после которого размещено выходное отверстие, сообщающееся с выходным патрубком, новым является то, что вихревая труба установлена с возможностью вращения в неподвижном корпусе в направлении, противоположном направлению подачи потока жидкости, и имеет внутреннюю полость в форме сужающего отверстия, имеющего узкую цилиндрическую поверхность, к которой примыкают коноидальные поверхности, наружная поверхность вихревой трубы и внутренняя поверхность корпуса имеют форму, аналогичную форме сужающего отверстия, на наружной поверхности вихревой трубы выполнены углубления, на наружной торцевой поверхности вихревой трубы со стороны выхода выполнены радиальные пазы, в непосредственной близости от торцевой поверхности в вихревой трубе выполнены не менее двух тангенциальных относительно поверхности внутренней полости отверстий, соосных с входным патрубком, коноидальные поверхности внутренней полости вихревой трубы выполнены с разнонаправленным эксцентриситетом a, a относительно цилиндрической поверхности, вихревая труба установлена в корпусе с эксцентричными зазорами b…b между цилиндрическими и коноидальными поверхностями, имеющими различное направление экцентриситета.
Организация на первоначальном этапе двух самостоятельных потоков для прохождения и нагрева жидкости, в которых параллельно происходит их дросселирование, обусловлена следующими причинами:
- во-первых, увеличивается теплоотдача на единицу объема устройства за счет более рационального его использования;
- во-вторых, в каждом потоке появляется возможность реализации нагрева жидкости с использованием различных методов воздействия на жидкость;
- в-третьих, происходит параллельное повышение давления и дальнейшее ускорение движения обоих потоков жидкости;
- в-четвертых, в процессе дросселирования, используемого в обоих каналах, происходит преобразование механической энергии жидкости, полученной от насоса, в тепловую энергию, для чего внутренняя полость вихревой трубы выполнена в форме сужающего отверстия, имеющего узкую цилиндрическую поверхность, к которой примыкают коноидальные поверхности, а наружная поверхность вихревой трубы и внутренняя поверхность корпуса имеют форму, аналогичную форме сужающего отверстия;
- в-пятых, на фоне данного процесса, повышающего эффективность теплообразования в обоих потоках, происходят процессы нагрева жидкости, происходящие в отдельно взятом потоке, за счет иных методов, способствующих повышению температуры жидкости.
Нагрев жидкости в потоке при его вращательно-поступательном движении и торможении на выходе во внутренней полости вихревой трубы, имеющей собственное вращение, противоположное направлению подачи потока, решает следующие задачи:
- во-первых, происходит активное формирование вращающегося потока жидкости при попадании ее внутрь вращающейся вихревой трубы через тангенциальные относительно поверхности внутренней полости отверстия;
- во-вторых, совмещается вращательно-поступательное движение потока жидкости внутри вихревой трубы, сопровождающееся выделением тепловой энергии, с действием на этот поток центробежных сил, приводящий к активизации нагрева жидкости, особенно в периферийном слое с высоким давлением в жидкости, прилегающем к стенкам вихревой трубы;
- в-третьих, при движении потока жидкости навстречу направлению вращения вихревой трубы увеличивается его энергетическая мощность, поэтому на выходе вихревой трубы, где происходит торможение потока с высокой эффективностью, обусловленной наибольшим образованием и их дальнейшим "разрушением" кавитационных полостей, происходит интенсивный нагрев жидкости;
- в-четвертых, как было описано выше, весь процесс происходит в условиях дросселирования жидкости, т.е. при изменении ее скорости и давления по мере продвижения внутри вихревой трубы, что позволяет повысить степень механоактивации жидкости, а следовательно, повысить теплопроизводительность;
- в-пятых, на процессы, описанные выше, накладываются радиальные ударные колебания, возникающие при вращении вихревой трубы за счет того, что коноидальные поверхности выполнены относительно цилиндрической поверхности с разнонаправленным эксцентриситетом.
Нагрев жидкости в другом потоке, перемещающемся между наружной поверхностью вихревой трубы и внутренней поверхностью корпуса, за счет процессов трения и кавитации при максимальном воздействии центробежных сил, создании и наложении на поток ударного колебательного воздействия позволяет решить следующие задачи:
- во-первых, использовать повышенное давление, создающееся под действием центробежных сил для эффективного нагрева жидкости;
- во-вторых, сформировать поток жидкости, имеющий линейную скорость вращения, превышающую линейную скорость внутри вихревой трубы;
- в-третьих, поддерживать стабильный процесс кавитации в потоке за счет имеющихся на наружной поверхности вихревой трубы углублений;
- в-четвертых, ударные колебания, формирующиеся на всем протяжении вихревой трубы за счет выполнения эксцентричных зазоров между вихревой трубой и неподвижным корпусом, имеющих различное направление эксцентриситета, позволяют механоактивировать нагреваемую жидкость, повысить теплопроизводительность;
- в-пятых, как и в первом канале процесс нагрева поддерживается за счет процесса дросселирования.
После достижения максимальной температуры потоков в обоих каналах происходит их ударное столкновение в зоне повышенного давления и отвод к потребителю, для чего на наружной торцевой поверхности вихревой трубы со стороны выходного отверстия выполнены радиальные пазы, по которым происходит эффективный выброс ускоренных потоков жидкости с дальнейшим столкновением с другим потоком.
Таким образом, описываемый способ получения тепловой энергии в жидкости и устройство для его осуществления позволяют добиться поставленной задачи - повышения эффективности устройства без увеличения затраченной энергии за счет совмещения различных методов воздействия на жидкость.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана общая схема устройства для получения тепловой энергии в жидкости; на фиг.2 - схема выполнения эксцентриситета коноидальных поверхностей внутренней полости вихревой трубы относительно цилиндрической поверхности; на фиг.3 - схема размещения эксцентричных зазоров между вихревой трубой и корпусом; на фиг.4 - схема размещения радиальных пазов на торцевой поверхности вихревой трубы.
1
2
1
3
Устройство для осуществления данного способа получения тепловой энергии в жидкости состоит из вихревой трубы 1 с внутренней полостью 2 в форме сужающего отверстия, имеющего узкую цилиндрическую поверхность 3, к которой примыкают коноидальные поверхности 4, ограниченные торцевыми стенками 5. Коноидальные поверхности 4 внутренней полости 2 выполнены с разнонаправленным эксцентриситетом a, a относительно цилиндрической поверхности 3. Вихревая труба 1 установлена с возможностью вращения с разнонаправленными эксцентричными зазорами b…b соответственно между цилиндрическими наружной поверхностью 6 вихревой трубы 1 и внутренней поверхностью 7 корпуса 8, между коноидальными наружными поверхностями 9, 10 вихревой трубы 1 и внутренними поверхностями корпуса 11, 12. Форма наружной поверхности вихревой трубы 1 и внутренней поверхности корпуса 8 аналогична форме внутренней полости 2. На наружной поверхности вихревой трубы 1 в непосредственной близости от одной из торцевых стенок 5 выполнены не менее двух тангенциальных относительно внутренней поверхности полости 2 отверстий 13. Соосно с отверстиями 13 в корпусе 8 размещен входной патрубок 14. Ближе к противоположной торцевой стенке 5 в полости 2 диаметрально размещено тормозное устройство 15 в виде плоской пластины, жестко прикрепленной к стенкам вихревой трубы 1. Вихревая труба 1 с обеих сторон жестко связана с полувалами 16 и 17, которые установлены в подшипниковых опорах 18 и уплотнены сальниками 19. В полувале 16, установленном со стороны тормозного устройства 15, выполнено выходное отверстие в форме осевого канала 20, соединенного с радиальными каналами 21. Выходной патрубок 22 расположен на поверхности корпуса 8 в непосредственной близости к его торцевой поверхности. На наружной поверхности вихревой трубы 1 выполнены диаметральные ряды углублений 23, а на торцевой поверхности со стороны каналов 20 и 21 - радиальные пазы 24, причем число пазов 24 совпадает с числом радиальных каналов 21.
1
2
1
3
Устройство для осуществления данного способа получения тепловой энергии работает следующим образом. Поток жидкости под давлением, которое создается насосом (на фиг. не показан), через входной патрубок 14 поступает внутрь корпуса 8. После полного заполнения устройства включается привод (на фиг. не показан), связанный с полувалом 17. При вращении вихревой трубы 1 часть жидкости через тангенциальные отверстия 13 по касательной к поверхности полости 2 вихревой трубы поступает внутрь нее, где приобретает вращательный вихревой характер движения. Совершая вращательное движение в направлении, противоположном направлению вращения вихревой трубы 1, жидкость перемещается к торцевой стенке 5, где происходит ее торможение при взаимодействии с тормозным устройством 15. Процесс нагрева рабочей жидкости происходит интенсивно за счет того, что направление вращения жидкости противоположно направлению вращения вихревой трубы 1, а действие центробежных сил сопровождает поток жидкости на всем протяжении внутренней полости 2. При прохождении жидкости через полость 2, в ее наименьшем сечении, реализуется эффект дросселирования - повышение давления с дальнейшим ускорением поступательного движения вращающегося потока. Жидкость после тормозного устройства 15 через каналы 20, 21 начинает перемещаться к выходному патрубку 22. Причем в зоне радиальных пазов 24 формируются под действием центробежных сил ударные потоки жидкости. Другая часть жидкости, не попавшая во внутреннюю полость 2, перемещается между внутренней поверхностью корпуса 8 и наружной поверхностью вихревой трубы 1 к входному патрубку 22, где происходит объединение двух разноскоростных и перпендикулярно направленных друг относительно друга потоков. Ввиду того, что форма наружной поверхности вихревой трубы 1 и внутренней поверхности корпуса 8 аналогична форме внутренней полости 2, в данном потоке также происходит процесс дросселирования жидкости. Кроме того, активный процесс нагрева жидкости происходит в зоне углублений 23. В данном случае при нарушении целостности потока жидкости возникает процесс кавитации, сопровождающийся ее нагревом. Процесс нагрева активизируется за счет воздействия на жидкость ударных колебаний, возникающих за счет выполнения разнонаправленных эксцентриситетов a, a коноидальных поверхностей 4 относительно цилиндрической поверхности 3 во внутренней полости 2 и эксцентричных зазоров b…b между наружными поверхностями 6, 9, 10 вихревой трубы 1 и внутренними поверхностями 7, 11, 12 корпуса 8.