Кавитационный теплогенератор

Полезная модель относится к теплоэнергетике и генерированию тепла, а именно к теплогенераторам, в которых нагрев теплоносителя осуществляется за счет эффекта кавитации.
Из предшествующего уровня техники известна кавитационная вихревая система отопления (патент №2089795, МПК F25B 29/00, публ. 10.09.97 г.)  В ней смешивание горячего и холодного потоков теплоносителя не регулируется.
Недостатком данного технического решения является работа установки с неустойчивыми параметрами теплоносителя. Регулирование производится путем изменения оборотов двигателя насоса, что малоэффективно и энергозатратно.
Известна «Схема нагрева системы водяного отопления теплогенератором» (RU 2202740 С2, МПК F24D 3/02, F25B 29/00, 20.04.2003), содержащая теплогенератор в виде вихревой камеры с закручивающим поток жидкости сопловым устройством, нагревающейся в цилиндрическом корпусе вихревой камеры, снабженной тормозным устройством и патрубком отвода нагретой жидкости, сетевой водяной насос с электроприводом, соединенный с корпусом теплогенератора с помощью инжекционного патрубка, подающий и обратный трубопроводы в тепловую нагрузку с индивидуальными вентилями соответственно.
Недостатком данного технического решения является то, что выход теплоносителя из теплогенератора имеет большой разброс по температуре.
Задачей полезной модели является создание кавитационного теплогенератора с возможностью предварительного регулирования температуры теплоносителя перед поступлением в кавитационную камеру.
Технический результат – повышение и стабилизация КПД кавитационного теплогенератора за счет обеспечения оптимальной и стабильной температуры теплоносителя на входе в кавитационную камеру.
Технический результат достигается тем, что в кавитационном теплогенераторе, состоящем из циркуляционного гидронасоса, к выходу и входу которого подключены холодный контур теплоносителя, выполненный с возможностью подключения тепловой нагрузки, и горячий контур теплоносителя, содержащий кавитационную камеру, вход циркуляционного гидронасоса подключен к холодному контуру теплоносителя и горячему контуру теплоносителя через регулируемый смеситель, установленный на входе циркуляционного гидронасоса.
Регулируемый смеситель может быть выполнен с ручной регулировкой либо с возможностью регулировки по сигналу от термодатчиков, установленных на горячем и холодном контуре подачи жидкости.
Предпочтительно выполнение регулируемого смесителя в виде автоматического трехходового клапана с возможностью регулировки и смешивания жидкостей горячего и холодного контура автоматически до заданной температуры теплоносителя.
Оптимально осуществлять первичный нагрев теплоносителя при отключенном холодном контуре теплоносителя.
На фиг. 1 изображена функциональная схема кавитационного теплогенератора.
Кавитационный теплогенератор состоит из циркуляционного гидронасоса 1, выход которого подключен к горячему контуру теплоносителя 2 и холодному контуру теплоносителя 3, при этом холодный контур теплоносителя 3 выполнен с возможностью подключения тепловой нагрузки, а горячий контур теплоносителя 2 содержит кавитационную камеру 4. На входе циркуляционного гидронасоса 1 установлен регулируемый смеситель 5, выход которого подключен к циркуляционному гидронасосу 1, а ко входам регулируемого смесителя 5 подключены горячий контур теплоносителя 2 и холодный контур теплоносителя 3.
Кавитационный теплогенератор работает следующим образом: с выхода циркуляционного гидронасоса 1 подается теплоноситель одновременно в два контура теплоносителя – горячий контур теплоносителя 2, где установлена кавитационная камера 4, нагревающая теплоноситель, и холодный контур теплоносителя 3, к которому подключается тепловая нагрузка. В регулируемый смеситель 5, установленный на входе циркуляционного гидронасоса 1, из холодного контура теплоносителя 3 поступает охлажденный теплоноситель, отдавший тепло тепловой нагрузке, а из горячего контура теплоносителя 2 – горячий теплоноситель, нагретый в кавитационной камере 4. Регулируемый смеситель 5 смешивает горячий поток и холодный поток теплоносителя в предварительно заданной пропорции таким образом, что на выходе регулируемого смесителя 5 теплоноситель имеет стабильные температурные параметры, оптимальные для работы кавитационной камеры 4. В результате из регулируемого смесителя 5 на вход циркуляционного гидронасоса 1 и далее по горячему контуру теплоносителя 2 в кавитационную камеру 4 поступает теплоноситель с отрегулированными параметрами, которые требуются для оптимальной работы кавитационной камеры 4. Таким образом, регулируется как температура теплоносителя на тепловой нагрузке, так и КПД кавитационной камеры. Поскольку наиболее эффективно кавитационная камера 4 работает в определенном диапазоне температур (конкретный диапазон зависит от конструкции и типа камеры), использование регулируемого смесителя 5 позволяет обеспечить стабильный КПД кавитационного теплогенератора за счет обеспечения стабильной температуры теплоносителя на входе в кавитационную камеру 4.
Первичный разогрев теплоносителя может осуществляться при закрытом холодном контуре, что ускоряет разогрев теплоносителя до рабочей температуры. Например, во время разогрева теплоносителя до оптимальной для конкретной кавитационной камеры температуры регулируемый клапан перекрывает холодный контур теплоносителя, тем самым избегая охлаждения теплоносителя в тепловой нагрузке и ускоряя нагрев теплоносителя в кавитационной камере. Процесс нагрева идет с низким КПД кавитационного теплогенератора, при этом циркуляция теплоносителя в холодном контуре теплоносителя во время разогрева отсутствует. Когда теплоноситель нагреется до требуемой температуры, тепловая мощность и КПД установки начинает возрастать за счет усиления кавитации. В это время регулируемый клапан постепенно открывает доступ теплоносителя из холодного контура теплоносителя и выходит на оптимальную заданную пропорцию смешивания потоков теплоносителя из холодного и горячего контуров.
В заявленном кавитационном теплогенераторе могут быть использованы кавитационные камеры любых типов и конструкций.
Оптимальные температурные параметры определяются в зависимости от типа и конструкции кавитационной камеры, используемой в кавитационном теплогенераторе по известным специалистам методикам [Федоткин, И.М. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности (теория, расчеты и конструкции кавитационных аппара-тов).Ч.1. / И.М. Федоткин, И.С. Гулый - К.: Полиграф-книга, 1997. - 940 с.]
В качестве теплоносителя в кавитационном теплогенераторе могут выступать вода, спирты, масла и прочие кипящие жидкости, в зависимости от типа и конструкции кавитационной камеры.
Ниже представлен пример функционирования кавитационного теплогенератора с водяной кавитационной камерой, исходя из заданных параметров.
Пример для теплоносителя – воды: горячий контур к регулируемому смесителю подает +70ºС. Холодный контур подает к смесителю +50ºС. Регулируемый смеситель отрегулирован таким образом, что после смешивания этих потоков подает на вход циркуляционного гидронасоса и далее в кавитационную камеру теплоноситель с температурой +62ºС, поскольку теплоноситель с такими параметрами является оптимальным для водяной кавитационной камеры. Для других конструкций кавитационных камер параметры теплоносителя на входе в кавитационную камеру будут настроены на свои оптимальные температуры. При изменении в силу каких-либо внешних причин температуры теплоносителя после тепловой нагрузки до, например, +40ºС, смеситель позволит пропорционально отрегулировать потоки из холодного и горячего контуров теплоносителя и подаст на вход циркуляционного гидронасоса и далее в кавитационную камеру теплоноситель с той же необходимой температурой +62ºС. При этом в горячем контуре останутся прежние параметры теплоносителя перед регулируемым смесителем +70ºС, сохраняя тот же КПД кавитационного теплогенератора.
Необходимо отметить, что пример выше приведен только для иллюстрации принципа работы кавитационного теплогенератора с регулируемым смесителем и в зависимости от конструкции и типа использованной кавитационной камеры и параметров тепловой нагрузки температура теплоносителя может различаться.
В качестве циркуляционного гидронасоса может выступать гидронасос любой конструкции, подобранный по своим характеристикам исходя из расчетных параметров кавитационного теплогенератора (давление, температура, расход жидкости и т. п.)
Смеситель с необходимыми характеристиками подбирается исходя из конкретной мощности кавитационного теплогенератора по техническим таблицам.
Регулировка ручным смесителем, выбранным по техническим таблицам для конкретной мощности кавитационного теплогенератора, может осуществляться трехходовым краном с рукояткой и позволяет регулировать смешение жидкостей, в широких пределах ориентируясь по показаниям визуальных приборов.
Регулировка смесителя с термодатчиком позволяет настраивать температуру жидкостей после смешения на строго заданную температуру потока, в которой установлен термодатчик. Отслеживание температуры ведется непрерывно.
Регулировка автоматическим смесителем может осуществляться автоматическим трехходовым клапаном-смесителем, выбранным по техническим таблицам для конкретной мощности кавитационного теплогенератора, давления и требуемой температуры теплоносителя. Отслеживание температуры и регулировка потоков жидкостей автоматическими смесителями ведется непрерывно.
Кавитационные камеры для кавитационного теплогенератора подбираются, исходя из параметров входящего теплоносителя и требуемой мощности кавитационного теплогенератора. Может быть использована кавитационная камера любого типа. [Федоткин, И. М. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности (теория, расчеты и конструкции кавитационных аппара-тов).Ч.1. / И.М. Федоткин, И.С. Гулый - К.: Полиграф-книга, 1997. - 940 с.]
Все узлы кавитационного теплогенератора могут быть скомпанованы в одном корпусе. Такой теплогенератор может быть применен в качестве источника тепла, например, для теплых полов, подогрева воды в бассейне, душевой кабине и т. д.
Использование регулируемого смесителя позволяет обеспечить любые необходимые температурные параметры теплоносителя и, как следствие, высокий и стабильный КПД кавитационной камеры и самого кавитационного теплогенератора.