ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ВИХРЕВОЙ НАГРЕВАТЕЛЬ
HIGH-SPEED VORTEX HEATER

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к устройствам, где энергия вращательно-поступательного движения жидкости преобразуется в тепловую энергию, и может быть использовано для тепло- и горячего водоснабжения объектов промышленного и бытового назначения, для подогрева технологических жидкостей.
Известен способ выделения энергии посредством вращательно-поступательного движения жидкости и устройство для преобразования и выделения энергии в жидких средах (см. патент RU №2287118, МПК F24J 3/00, F15D 1/00, F25B 29/00, опубл. 10.11.2006 г., Бюл. №31), принятые за прототип. Устройство для преобразования и выделения энергии в жидких средах содержит вихревую трубу, гидродинамические преобразователи движения текучей среды, выполненные в виде конусов на концах вихревой трубы, формирователь потока, ось симметрии которого соосна продольной оси вихревой трубы, рассекатель потока, выполненный в виде пластины, поверхность которой параллельна продольной оси вихревой трубы. Вихревая труба выполнена с винтообразными канавками на внутренней стенке цилиндрической части из упругой слоистой пластмассы и снабжена металлическим кожухом, охватывающим с зазором наружную поверхность вихревой трубы.
Недостатком прототипа является недостаточная теплопроизводительность из-за низкой скорости прокачивания текучей среды и высоких гидравлических потерь.
Предлагаемым изобретением решается задача: сокращение энергозатрат при практическом применении устройства.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в создании высокоскоростного вихревого нагревателя, осуществляющего высокоэффективный нагрев жидкости данным способом.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом высокоскоростном нагревателе вихревого типа, состоящем из кожуха, вихревой трубы, гидродинамических преобразователей движения текучего рабочего тела, выполненных в виде конусов на концах вихревой трубы, формирователя потока, ось симметрии которого соосна с продольной осью вихревой рассекателя потока, выполненного в виде пластины, поверхность которой параллельна продольной оси вихревой трубы, новым является то, что внутри входного конуса гидродинамического преобразователя соосно с ним ближе к входу установлен скоростной преобразователь, площадь проходного сечения скоростного преобразователя составляет 1/3 площади, образованной внутренней поверхностью входного конуса и наружной конической поверхностью скоростного преобразователя, формирователь потока выполнен в форме двух соосно установленных пластинчатых винтовых поверхностей, причем плоскости винтовых поверхностей соответственно размещены напротив выходного отверстия скоростного преобразователя и отверстия, образованного внутренней поверхностью входного конуса и наружной конусной поверхностью скоростного преобразователя, рассекатель снабжен сквозными отверстиями, выходной конус гидродинамического преобразователя оснащен направляющими лопатками (дефлекторами) или разделительными стенками, на внутренние поверхности кожуха и элементы нагревателя, которые выполнены металлическими, нанесено покрытие на основе фторопласта, обладающее изностойкими и шумопоглащающими свойствами.
Установка внутри входного конуса гидродинамического преобразователя соосно с ним ближе к входу скоростного преобразователя, выполненного в форме насадка с внутренней поверхностью, придающей потоку текучего рабочего тела значительное ускорение, позволяет:
- во-первых, получить центральный поток текучего рабочего тела, имеющий повышенную скоростную составляющую относительно периферийного потока, причем процесс нагрева при повышенной скорости интенсифицируется;
- во-вторых, при движении двух разноскоростных потоков, образовавшихся вследствие придания значительного ускорения части текучего рабочего тела, размещенной по продольной оси нагревателя, происходит дополнительное выделение тепловой энергии за счет взаимодействия на границах этих потоков.
Причем площадь проходного сечения скоростного преобразователя составляет 1/3 площади, образованной внутренней поверхностью входного конуса и наружной конической поверхностью скоростного преобразователя. Это позволяет организовать два приблизительно равных по расходу потока текучего рабочего тела: первый поток - центральный, имеющий повышенную скорость движения, второй - охватывающий, размещенный по периферии первого потока и ограниченный внутренними поверхностями вихревой трубы.
Выполнение формирователя потока в форме двух соосно установленных пластинчатых винтовых поверхностей, в которых плоскости винтовых поверхностей соответственно размещены напротив выходного отверстия скоростного преобразователя и отверстия, образованного внутренней поверхностью входного конуса и наружной конической поверхностью скоростного преобразователя, обусловлено необходимостью придания вращательно-поступательной составляющей двум разноскоростным потокам текучего рабочего тела: центральному, высокоскоростному и охватывающему, имеющему меньшую скорость движения. На данном этапе ввиду того, что завихрение каждого потока происходит на соответствующих пластинчатых винтовых поверхностях, не происходит значительного нарушения целостности этих потоков, что позволяет поддерживать нагрев за счет процессов, происходящих в пограничном слое разноскоростных потоков.
Ввиду того, что рассекатель, работающий как резонансная и одновременно как тормозная пластина, снабжен сквозными отверстиями, то появляется дополнительная возможность за счет "продавливания" части текучего рабочего тела через плоскую пластину рассекателя осуществить повышение его температуры.
Оснащение выходного конуса гидродинамического преобразователя направляющими лопатками (дефлекторами) или разделительными стенками позволяет осуществить преобразование кинетической энергии потока текучего рабочего тела в энергию давления, происходящее в полости выходного конуса, наиболее эффективно по сравнению с конусом, имеющим гладкие стенки. Для устранения отрыва потока текучего теплоносителя или для затягивания начала отрыва в целях уменьшения потерь в выходном конусе (диффузоре) используются вышеприведенные устройства. Причем эффективность данных устройств возрастает при увеличении угла конусности (угла раствора диффузора), т.к. потери с возрастанием угла конусности также возрастают.
Нанесение на внутренние поверхности кожуха и элементы нагревателя, которые выполнены металлическими, покрытия на основе фторопласта, обладающего износостойкими и шумопоглащающими свойствами, позволяет решить следующие задачи:
- увеличить коррозионную и фрикционную стойкость элементов нагревателя и тем самым продлить срок его службы;
- снизить уровень шумовых характеристик при эксплуатации нагревателя.
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 высокоскоростного вихревого нагревателя; на фиг.2 - вариант исполнения выходного конуса, оснащенного направляющими лопатками (дефлекторами); на фиг.3 - вариант исполнения выходного конуса, оснащенного разделительными стенками.
Высокоскоростной вихревой нагреватель состоит из металлического кожуха 1, внутри которого размещена вихревая труба 2. В вихревой трубе 2 на входном ее конце размещен гидродинамический преобразователь движения текучего рабочего тела, выполненный в виде входного конуса 3. Выходной конус 4, также являющийся гидродинамическим преобразователем, выполнен в кожухе 1. Входной конус 3, являющийся частью вихревой трубы 2 с зазором "а", установлены в кожухе 1. Внутри входного конуса 3 ближе к входу соосно ему посредством кронштейнов 5 размещен скоростной преобразователь 6, ближе к выходу входного конуса 3 размещен формирователь потока в форме двух соосно установленных пластинчатых винтовых поверхностей 7, 8. На выходе вихревой трубы 2 заподлицо с ней установлен рассекатель в виде плоской пластины 9 со сквозными отверстиями 10. Внутренние поверхности кожуха 1, остальные элементы нагревателя покрыты слоем покрытия на основе фторопласта (на чертежах не показан).
В вариантах исполнения выходного конуса 4 он может быть оснащен направляющими лопатками (дефлекторами) 11 или разделительными стенками 12.
Высокоскоростной вихревой нагреватель работает следующим образом. Текучее рабочее тело, в большинстве случаев вода под давлением, которое создается насосом (на чертежах не показан), подается во входной конус 3. Имеющийся между кожухом 1 и вихревой трубой с входным конусом 3 зазор "а" обеспечивает резонансные колебания вихревой трубы с конусом в кожухе. Далее поток текучего рабочего тела разделяется на два приблизительно равных по расходу потока, имеющих различную скорость: центральный высокоскоростной поток, получивший значительное ускорение в скоростном преобразователе 6 и охватывающий его поток, имеющий меньшую скорость, который перемещается через отверстие между наружной конической поверхностью скоростного преобразователя 6 и внутренней поверхностью входного конуса 3. Далее оба потока поступают в формирователь вихревого потока, причем формирование вихревого направления движения текучего рабочего тела каждого из двух разноскоростных потоков осуществляется соответствующими винтовыми пластинами 7, 8. Процесс сопровождается активным нагревом текущего рабочего тела. На вращательно-поступательное движение потока накладывается резонансное воздействие колебаний вихревой трубы 2 с конусом 3. Рассекатель в виде тормозной пластины 9 осуществляет торможение и "развихрение" разноскоростных потоков, а также их смешение, сопровождающееся выделением тепловой энергии. Дополнительный нагрев происходит при преодолении сквозных отверстий 10 текучим рабочим телом. Отвод текучего рабочего тела осуществляется через выходной конус 4. В вариантах исполнения выходного конуса 4 направляющие лопатки (дефлекторы) 11 и разделительные стенки 12 уменьшают гидравлические потери.