ТЕПЛОПАРОГЕНЕРАТОР ВИХРЕВОГО ТИПА
TURBULENT TYPE HEAT-STEAM GENERATOR

Предлагаемое изобретение относится к области гидронасосов или других устройств, содержащих в качестве основного рабочего элемента колесо центробежное. Более конкретно, предлагаемое изобретение относится к теплогенераторам вихревого типа, преобразующим механическим способом с помощью колеса центробежного энергию электрического тока в тепловую энергию жидкости.
Такие энергоустановки применяются в закрытых автономных системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения объектов, в том числе жилых зданий, а также в технологических процессах нагрева жидкости и воздуха.
Известен ряд энергоустановок для преобразования энергии электрического тока в тепловую энергию жидкости с помощь колеса центробежного: RU 2094711, RU 2197688, RU 2201562, RU 2258875, RU 2257514, RU 2270965 и другие.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является энергоустановка [1] - «Насос-теплогенератор», RU 2160417 С2, 10.12.2000, содержащая полый корпус с входным и выходным патрубками для подвода нагреваемой и отвода нагретой жидкости соответственно и расположенные внутри корпуса вал с сальниками и подшипникам и ротором в виде колеса центробежного двухпоточной конструкции с отверстиями по периферии, а также статор с отверстиями, установленный коаксиально ротору.
Рассматривая указанную энергоустановку в качестве прототипа, отметим ряд существенных недостатков, присущих ей:
1. Сложная конструкция составного колеса центробежного в изготовлении.
2. Периферийная часть колеса массивна и тяжела по сравнению с крыльчаткой, что обуславливает ограничение скорости вращения колеса по прочности конструкции в целом.
3. Большие радиальные нагрузки на подшипники вала из-за большой массы колеса и требуемой, не менее 3000 об/мин, скорости его вращения.
4. Трудность обеспечения взаимной центровки элементов конструкции.
5. Статор вообще не имеет крепления в корпусе, повис в воздухе!?
6. Характер течения жидкости в самом колесе центробежном прерывистый, пульсирующий, нестационарный.
7. Характер течения жидкости в момент выхода ее из колеса центробежного прерывистый, нестационарный.
8. Колесо работает в корпусе, постоянно заполненном жидкостью.
9. Гидродинамическая проточная часть колеса - двухпоточная.
10. Низкая эффективность работы данной энергоустановки. Приведенные недостатки условно можно разделить на три группы.
Первая группа - недостатки по пунктам 1, 2, 3, 4, 5.
Вторая группа - недостатки по пунктам 6, 7, 8, 9.
Третья группа - недостаток по пункту 10.
Первая группа недостатков по п.1-5 принципиальна, но не критична, так как, во-первых, эти недостатки имеют конструкторский характер и устранение их не приведет к значимому повышению характеристик этой конструкции; во-вторых, к физическим процессам, протекающим в энергоустановке, имеют малозначимое отношение.
К этой группе замечаний необходимо добавить еще одно, но существенное замечание. В таких энергоустановках теплоносителем является высокотемпературная жидкость под давлением, поэтому наиболее слабым элементом в их конструкции является сальнико-подшипниковый узел соединения вала колеса с корпусом. Надежность и долговечность энергоустановки полностью зависят от качества защиты подшипникового узла. Из практики таких энергоустановок известно, что ресурс работы сальников значительно меньше ресурса работы подшипников, поэтому необходимо, чтобы ресурс сальникового уплотнения соответствовал ресурсу подшипников.
Вторая группа - недостатки по п.6-9, имеющие самое прямое отношение к процессам, определяющим эффективность работы и колеса центробежного и энергоустановки в целом.
Замечание по пункту 6 и 7.
Прерывистый, пульсирующий, нестационарный характер течения жидкости в каналах колеса центробежного приводит к существенной потере полного давления в потоке жидкости, которое уже не восполнить за счет центробежных сил. Более того, в работе данной конструкции обнаруживается нелепая ситуация, при которой струям жидкости уже нужно выходить из канала с большой скоростью, а они в этот момент времени еще или не успели разогнаться после резкой предыдущей остановки, или уже резко тормозятся согласно фазе процесса вращения колеса центробежного относительно статора. Нужен мощный кинетический импульс струй жидкости на выходе их из колеса, а его нет, значит, нет и тепловой энергии от кинетического удара.
Поток жидкости в канале колеса центробежного тормозить нельзя, поток в канале колеса центробежного должен быть стационарным!
Характер течения, а значит, и потерь полного давления жидкости после выхода ее из каналов колеса сохраняется, поэтому ни о каком кинетическом и кавитационном нагреве жидкости на поверхности статора «насоса-теплогенератора» - прототипа говорить не приходится. Этой физики здесь нет.
Замечания по пунктам 8 и 9.
Эти замечания базируются на большом объеме экспериментальных исследований авторов данной Заявки, а также на анализе известных энергоустановок аналогов, включая прототип. С целью определения истинных характеристик теплогенератора вихревого типа с интенсивным процессом преобразования энергии авторами данной Заявки была создана экспериментальная стендовая энергоустановка вихревого типа, на которой проверялись различные концепции колес центробежных.
Одним из результатов работы на стендовой энергоустановке было создание колеса центробежного, известного как [2] - Заявка РФ - RU №2006142667 А1, опубл. 27.05.2008, представленного на Фиг.1-2 и рассматриваемого в данной заявке в качестве колеса-аналога, выполненного с конфузорами, чередующимися с лопатками, расположенными на выходе каналов, радиально отходящими от периферии колеса, и с двухпоточным гидродинамическим проточным тактом, имеющим двухсторонний осевой вход, показавшего на испытаниях достаточно высокую эффективность преобразования энергии электрического тока в тепловую энергию жидкости даже при относительно невысоких оборотах вращения.
Исследования данного колеса проводились с частотами вращения электродвигателя -750 об/мин, 1000 об/мин, 1500 об/мин, при этом значения теплового кпд в зависимости от частоты вращения колеса составили 0.93-0.95.
Известные энергоустановки такого типа работают на частотах вращения электродвигателя не ниже 3000 об/мин и со значительно меньшими значениями коэффициента эффективности преобразования энергии.
Частота вращения электродвигателя 3000 об/мин (или 50 Гц) энергоустановки [1] - прототипа обусловлена необходимостью и не случайна. Это максимальные рабочие обороты серийных асинхронных электродвигателей, широко используемых в энергоустановках вихревого типа. Из всего номенклатурного ряда электродвигателей (750 об/мин, 1000 об/мин, 1500 об/мин, 3000 об/мин) авторы своих энергоустановок используют электродвигатели больших мощностей (55 кВт, 75 кВт и более) и именно с частотой вращения вала не ниже 3000 об/мин.
Не забывая про цифру 3000 об/мин вернемся к прототипу, к его основному недостатку по пункту 10.
Согласно описанию и рисункам энергоустановки [1] - прототипа в кольце его ротора выполнено 12 каналов, вращающихся с частотой порядка 3000 об/мин (или 50 Гц) относительно 12 отверстий статора. Тогда время между совмещениями канала ротора и отверстия статора составит 0.001667 секунды, а время на перестройку потока жидкости, с учетом его запирания, т.е. остановки потока, при несовпадении каналов ротора и отверстий статора, и с учетом его течения, т.е. ускорения, при совпадении отверстий ротора и статора уменьшается ровно вдвое, до значения 0.000833 секунды !
Для несжимаемой жидкости, каковой принято считать воду в практике конструирования, время на перестройку потока жидкости, так называемое «время установления течения жидкости», при изменении воздействия только по величине, не учитывая еще и по направлению!, составляет на полтора-два порядка больше, чем приведенные 0.000833 секунды! В данной конструкции характер воздействия на объект-жидкость не адекватен, не соответствует свойствам объекта воздействия, нет обратных связей. Поэтому ни о каких кинетических струях жидкости через ротор и статор, кавитации и высокочастотных пульсациях и резонансных автоколебаниях жидкости в конструкции энергоустановки - прототипа говорить не приходится. Ничего этого в работе данной конструкции нет, а значит, нет и эффективности преобразования энергии электрического тока в тепловую энергию жидкости.
Возвращаясь к замечаниям прототипа по пунктам 8 и 9 и помня основное и обязательное условие работы всех известных энергоустановок вихревого типа - корпус энергоустановки постоянно заполнен подогреваемой жидкостью и частота вращения колеса ни менее 3000 об/мин, необходимо отметить, что при вращении колеса центробежного в энергоустановке нагрев жидкости происходит в результате воздействия на жидкость трех факторов.
Фактор первый - механическое трение слоев жидкости, находящейся в энергоустановке при ее интенсивном перемешивании внутри корпуса, а также трение о стенки корпуса и о вращающееся колесо с конфузорами и лопатками.
Фактор второй - кинетический удар струй жидкости, выходящих из каналов колеса о специально спрофилированную стенку статора.
Фактор третий - кавитационные процессы в жидкости, обусловленные механическим и гидродинамическим воздействием на жидкость лопаток колеса и статора одновременно.
Основные вклады в процесс нагрева жидкости дают второй и третий факторы, и обусловлено это процессами, происходящими внутри колеса и снаружи.
Первый фактор слабо зависит от гидродинамических процессов внутри колеса, и его положительный вклад в преобразование энергии очень мал, не более 1%. Этим можно было бы пренебречь, однако результаты испытаний колеса [2] позволили посмотреть на этот фактор иначе.
Очевидно, что имеющиеся в конструкции этого колеса лопатки, окруженные жидкостью, с увеличением скорости его вращения создают валу колеса существенное внешнее гидродинамическое сопротивление. На практике это проявляется следующим образом. При включении электродвигателя энергоустановки колесо, полностью погруженное в жидкость, начинает вращаться. Возникающее при этом большое внешнее гидродинамическое сопротивление, обусловленное в первую очередь лопатками колеса, приводит к резкому и значительному нарастанию тока на обмотках электродвигателя, в несколько раз большему допустимого. Электродвигатель начинает сильно нагреваться и отключается автоматикой управления по причине перегрева, так и не выйдя на требуемый режим работы. В таком случае колесо приходится разгонять, начиная с небольших, примерно 1000-1500 оборотов в минуту, постепенно наращивая их до необходимого значения, или использовать электродвигатель с большим запасом, в разы, по мощности, что также сопряжено с неоправданным увеличением затрат энергии.
Кроме преодоления внешнего гидродинамического сопротивления лопаток, существенная доля энергии электродвигателя расходуется на преодоление сил трения между корпусом колеса с конфузорами и жидкостью, поступающей в энергоустановку и находящейся вокруг колеса, а также на вращение этой «присоединенной массы» жидкости внутри корпуса энергоустановки.
Учитывая, что энергоустановка такого типа, как правило, постоянно не работает, а включается и выключается в сканирующем режиме, отслеживая температуру подогреваемой жидкости, то становится очевидным, что все затраты энергии на преодоление колесом внешнего сопротивления жидкости, находящейся в энергоустановке вокруг колеса, существенно снижают ее эффективность, и лопатки колеса центробежного в этом доминируют.
С другой стороны, эти лопатки выполняют крайне важную функцию для второго и третьего факторов:
- создают локальное разряжение в зоне выхода струй жидкости из конфузоров, что устраняет противодавление окружающей среды и обеспечивает сохранение кинетического импульса струй до момента встречи их со стенкой статора,
- освобождают поверхность стенки статора в зоне удара струй жидкости от жидкости, уже находящейся в корпусе энергоустановки, что делает удар струй жидкости более упругим и эффективным, а не погашенным в толще слоя вращающейся массы жидкости,
- создают в совокупности со статором, выполненным специальным образом, высокочастотную гидродинамическую пульсацию, гидроудары в жидкости.
С одной стороны, лопатки в совокупности со статором, создают в процессе вращения колеса в корпусе энергоустановки особую, локальную «активную рабочую зону» и имеют исключительное, важное значение для реализации второго и третьего факторов, определяющих эффективность процесса преобразования энергии, а с другой, существенно ухудшают гидродинамические характеристики колеса и энергоустановки в целом.
Попытка разрешить данное противоречие привела авторов Заявки к новой концепции энергоустановки вихревого типа - концепция «сухое колесо» в «активной рабочей зоне», позволяющей устранить недостатки по пункту 8.
Согласно этой концепции поступающая в энергоустановку жидкость должна проходить только по проточному тракту внутри колеса центробежного, и, выходя из него через конфузоры, после удара о стенку статора, не скапливаясь вокруг колеса и не создавая дополнительное внешнее гидродинамическое сопротивление колесу, она должна вся отводиться из корпуса энергоустановки.
Испытания колеса [2] по концепции «сухое колесо» на экспериментальной стендовой энергоустановке выявился его второй конструктивный недостаток по пункту 9, заключающийся в выполнении его гидродинамического проточного тракта двухпоточным, с двухсторонним осевым входом в радиальные каналы и проявляющийся в том, что при частоте вращения 2000 об/мин и более процесс нагрева жидкости становился настолько интенсивным, что с первых секунд работы энергоустановки вокруг колеса образовывался паровой пузырь, который быстро попадал в гидродинамический проточный тракт колеса, создавая в нем паровую пробку. Это приводило к нарушению режима работы и колеса, и энергоустановки.
Известно, что с воздушными пробками борются с помощью продувки или прокачки гидромагистралей установки непосредственно перед ее запуском. С паровой пробкой бороться значительно сложнее, а если она образовалась в гидродинамическом тракте колеса в процессе его работы, то и бесполезно. Образуется она в зависимости от интенсивности работы колеса, непредсказуема по времени и месту возникновения и месту «базирования». Сложность конфигурации проточного тракта всей энергоустановки, включая и колесо центробежное, не позволяет эффективно решить проблему паровой пробки с помощью клапанов и компенсаторов давления.
В новых испытаниях колеса [2], доработанного с учетом замечаний по п.8 и 9, удалось реализовать скоростные режимы работы энергоустановки по концепции «сухое колесо», которые показали, что в этом случае преобразование энергии электрического тока в тепловую энергию жидкости происходит с максимальной интенсивностью и эффективностью. Даже на относительно небольших оборотах вращения колеса было получено значение теплового кпд не ниже значения 0,97. Эти стендовые исследования позволили определить ряд требований к конструкции самого колеса центробежного и к условиям его работы, а также требования к конструкции энергоустановки вихревого типа. Представляем их.
Для получения энергоустановки с высокой интенсивностью и эффективностью преобразования энергии и ее устойчивой работы:
1. Ее колесо центробежное должно быть выполнено однопоточным, с гидродинамическим проточным трактом, имеющим односторонний осевой вход, единый для всех радиальных каналов колеса.
Односторонний осевой вход колеса позволяет обеспечить с помощью уплотнения лабиринтного типа его герметичное бесконтактное соединение с входным патрубком корпуса энергоустановки. Такое соединение, с «одной стороны», достаточно эффективно препятствует попаданию жидкости из входной магистрали в активную зону корпуса, то есть на внешнюю сторону вращающегося колеса с лопатками и статор, а с «другой стороны», достаточно эффективно препятствуют проникновению давления насыщенных паров жидкости из активной зоны корпуса в гидродинамический проточный тракт колеса центробежного и образованию в нем паровой пробки.
Замена уплотнения лабиринтного типа на манжетное сальниковое не целесообразна, так как сальниковое имеет ограниченный ресурс.
2. Ее колесо центробежное должно работать в корпусе, не заполненном жидкостью, то есть по концепции «сухое колесо» в «активной рабочей зоне» корпуса. Это позволит существенно уменьшить затраты энергии электродвигателя из-за отсутствия внешнего гидродинамического сопротивления, оказываемого колесу «присоединенной массой» жидкости.
3. Радиальные каналы колеса центробежного должны быть выполнены с конфузорами на выходе, чередующимися с радиально расположенными, отходящими от периферии колеса профилированными лопатками, примыкающими бесконтактно своими концами к статору, расположенному вокруг колеса коаксиально, выполненному в виде кольца, перфорированного радиальными каналами, имеющего также специальную профилированную внутреннюю поверхность, обращенную к лопаткам колеса. При этом течение жидкости в каналах колеса центробежного должно быть стационарным.
Профилированные лопатки, создавая локальную зону разряжения для струй жидкости каждого конфузора, обеспечивают сохранение высокого кинетического импульса стационарных струй жидкости от момента выхода их из колеса, до момента удара о специальную профилированную внутреннюю поверхность статора.
Профилированные лопатки в совокупности со статором осуществляют механическое и гидродинамическое воздействие на жидкость после удара ее о профилированную внутреннюю поверхность статора, обуславливая процесс кавитации жидкости и переход ее из жидкого состояния в парообразное.
4. Для отвода из корпуса энергоустановки смеси жидкости и пара необходимо использовать не центробежный, тангенциально расположенный выходной патрубок в форме «улитка», а отвод с помощью шнека, через выходной патрубок, расположенный соосно шнеку.
Центробежный отвод жидкости из корпуса энергоустановки через тангенциально расположенный выходной патрубок типа «улитка» конструктивно очень металлоемкий, громоздкий, сложный и не позволяет достаточно эффективно удалять из корпуса смесь жидкости и пара, а при реализации концепций «сухое колесо» становится рудиментом, так как противоречит данной концепции.
Шнек устанавливается на валу колеса консольно, с размещением лопастей в выходном патрубке корпуса, выполненном соосно с валом.
Шнековая система очень эффективна в работе со смесью жидкости и пара, проста и гармонична конструктивно и является логичной в концепции «сухое колесо» в «активной рабочей зоне» энергоустановки вихревого типа.
5. Входной патрубок, вал колеса центробежного со шнеком, а также выходной патрубок должны быть выполнены в корпусе энергоустановки в вертикальном положении и соосно валу.
Такая компоновка улучшает гидродинамику поступления жидкости в каналы колеса центробежного, разгружает подшипники от радиальных нагрузок, заменяя осевой, и т.д., но самое главное, и это крайне принципиально, именно такая компоновка элементов энергоустановки позволяет реализовать концепцию «сухое колесо в активной рабочей зоне» в полной мере. Конструктивно такая компоновка элементов проще, надежнее и дает ряд существенных преимуществ при изготовлении, сборке, эксплуатации и ремонте энергоустановки.
6. Сальнико-подшипниковый узел соединения вала колеса центробежного с корпусом должен быть выполнен с дополнительной защитой посредством бесконтактного уплотнения лабиринтного типа.
Выполняется такое уплотнение посредством муфты, жестко закрепленной на валу и примыкающей бесконтактно своей поверхностью, представляющей собой концентрические углубления и выступы, к сальнико-подшипниковому узлу в корпусе, имеющему аналогично выполненную поверхность, что и представляет собой уплотнение лабиринтного типа.
Данное бесконтактное уплотнение лабиринтного типа работает только при вращении вала, не ограничено по ресурсу и защищает сальниковое уплотнение от температурных нагрузок и давления жидкости, что позволяет повысить ресурс манжетного сальникового уплотнения до ресурса подшипников. При одновременной замене сальникового уплотнения и подшипников вала существенно упрощаются эксплуатация и ремонт, а также повышаются надежность и долговечность эксплуатации энергоустановки.
Задача, решаемая предлагаемой конструкцией теплопарогенератора вихревого типа, состоит в существенном повышении интенсификации и эффективности процесса нагрева жидкости до парообразования, при одновременном уменьшении скорости вращения колеса центробежного и мощности его электродвигателя за счет повышения силы гидравлического удара и гидродинамической кавитации жидкости, а также в повышении надежности и долговечности его работы за счет дополнительной защиты сальнико-подшипникового узла соединения вал колеса центробежного с корпусом.
Поставленная задача достигается выполнением теплопарогенератора вихревого типа,
содержащего корпус с входным и выходным патрубками, расположенные внутри корпуса вал с сальнико-подшипниковым узлом и ротором в виде колеса центробежного с радиальными каналами для жидкости, имеющими конфузоры на выходе, а также статор, установленный вокруг ротора коаксиально, следующим образом:
его центробежное колесо выполнено однопоточным, с односторонним осевым входом, соединенным бесконтактно с соосно расположенным входным патрубком посредством уплотнения лабиринтного типа, ответные части которого в виде примыкающих бесконтактно волнообразных поверхностей, представляющих собой чередующиеся концентрические выступы и углубления, расположены как на колесе центробежном, вокруг его осевого входа, так и на входном патрубке, при этом односторонний осевой вход выполнен единым для всех радиальных каналов с конфузорами, чередующимися с профилированными лопатками, расположенными на выходе радиальных каналов и радиально отходящими от периферии колеса, а статор выполнен в виде кольца, перфорированного радиальными каналами, внутренняя сторона которого, примыкающая бесконтактно к концам профилированных лопаток колеса центробежного, представляет собой профильную волнообразную поверхность в виде зубчатого колеса, а его обратная внешняя сторона имеет выступы с отверстиями для крепления в корпусе и для образования между корпусом и статором кольцевого зазора, в который выходят радиальные каналы статора. При этом его вал выполнен с возможностью жесткого закрепления на нем муфты, примыкающей бесконтактно к корпусу в месте расположения сальнико-подшипникового узла волнообразной поверхностью в виде чередующихся концентрических углублений и выступов, образующей в совокупности с аналогично выполненной поверхностью корпуса
уплотнение лабиринтного типа с целью дополнительной защиты сальнико-подшипникового узла, а также выполнен с возможностью закрепления на нем шнека консольно, в частности, с помощью резьбы, фиксирующего на валу продольно колесо центробежное, лопастями входящего в выходной патрубок, при этом входной патрубок, вал со шнеком и выходной патрубок выполнены в корпусе соосно.
Предпосылками решения задачи являются:
1. Выполнение конструкции теплопарогенератора с гидродинамическим проточным трактом, включающим входной патрубок, односторонний осевой вход колеса и его каналы с конфузорами на выходе, исключающим поступление нагреваемой жидкости в полость корпуса, на внешнюю поверхность вращающегося колеса центробежного и расположенного вокруг него коаксиально статора, а также исключающим попадание в этот проточный тракт парового пузыря или образование в нем паровой пробки.
Для этого колесо центробежное выполнено однопоточным, с гидродинамическим проточным трактом, имеющим односторонний осевой вход, единый для всех каналов колеса, соединенный бесконтактно с соосно расположенным фланцем входного патрубка корпуса посредством уплотнения лабиринтного типа, что позволяет обеспечить:
- расход всей жидкости только и сразу во все каналы колеса, обуславливая равномерность их загрузки жидкостью и равномерность их функционирования, при этом колесо центробежное эффективно работает как всасывающий насос,
- не заполнение «активной рабочей зоны» корпуса вокруг колеса и статора жидкостью, обуславливая вращение колеса центробежного без внешнего гидродинамического сопротивления,
- достаточно надежную защиту гидродинамического проточного тракта теплопарогенератора и колеса от паровых пузырей и пробок, обуславливая стабильный, управляемый, расчетный режим его работы с высокой интенсивностью и эффективностью преобразования энергии.
2. Выполнение колеса центробежного с конфузорами на выходе из каналов, чередующимися с расположенными на выходе каналов, радиально отходящими от периферии колеса лопатками, а также выполнение статора в виде кольца, перфорированного радиальными каналами, расположенного вокруг колеса центробежного коаксиально, имеющего специально профилированную внутреннюю поверхность в виде зубчатого колеса, примыкающую бесконтактно к концам лопаток колеса центробежного, максимально интенсифицирующими все гидродинамические процессы в активной рабочей зоне теплопарогенератора.
При этом лопатки колеса, примыкающие бесконтактно к коаксиально расположенному вокруг колеса центробежного статору, создают локальную, по кругу своего вращения, зону разряжения в паровоздушной среде между конфузорами и статором для каждой отдельной струи жидкости, а также осуществляют в совокупности со статором механическое и гидродинамическое воздействие на жидкость в виде высокочастотных, сотни - тысячи герц, пульсаций - гидроударов, что позволяет обеспечить:
- сохранение кинетического импульса стационарно движущихся струй жидкости от момента их выхода из конфузоров до момента удара о профилированную внутреннюю поверхность статора, тем самым получить максимально эффективный кинетический удар струй жидкости о статор.
- кавитационные процессы в жидкости.
3. Выполнение вала с возможностью закрепления на нем шнека консольно, в частности, с помощью резьбы, фиксирующего продольно на валу колесо центробежное, входящего лопастями в выходной патрубок, расположенный соосно с валом и обеспечивающего отвод смеси жидкости и пара из корпуса теплопарогенератора.
При этом положение входного патрубка, вала колеса центробежного со шнеком и выходного патрубка в корпусе выполнено вертикальным и соосно валу. Вертикальное положение входного патрубка, вала колеса центробежного со шнеком и выходного патрубка в корпусе, причем соосно, позволяет:
- существенно упростить конструкцию теплопарогенератора, сделать ее компактной, достаточно легкой, надежной,
- эффективно отводить смесь жидкости и пара из корпуса теплопарогенератора, а самое главное - обеспечить режим работы по концепции «сухое колесо в активной рабочей зоне», тем самым существенно повысить все характеристики теплопарогенератора в целом.
4. Выполнение вала с жестко закрепленной муфтой, образующей с корпусом бесконтактное уплотнение лабиринтного типа, защищающее манжетное сальниковое уплотнение и подшипники от температурного воздействия и давления жидкости и пара, тем самым существенно увеличивающее надежность и ресурс работы теплопарогенератора.
Конструкция предлагаемого теплопарогенератора вихревого типа и его основные элементы представлены в графических материалах (Фиг.3-11), где изображены на:
Фиг.3 - теплопарогенератор, аксонометрия и разрез по валу;
Фйг.4 - теплопарогенератор, разрез - деталировка;
Фиг.5 - теплопарогенератор, разрез по диаметральной плоскости;
Фиг.6 - теплопарогенератор, колесо центробежное, аксонометрия;
Фиг.7 - теплопарогенератор, колесо центробежное, разрез по каналам;
Фиг.8 - теплопарогенератор, уплотнение лабиринтного типа соединения входного патрубка и осевого входа колеса центробежного, позиция 11;
Фиг.9 - теплопарогенератор, статор-аксонометрия;
Фиг.10 - теплопарогенератор, статор-разрез;
Фиг.11 - теплопарогенератор, уплотнение лабиринтного типа сальнико-подшипникового узла, позиция 9, в которых используются следующие обозначения:
1 - сборно-разборный корпус;
2 - входной патрубок;
3 - выходной патрубок;
4 - сальнико-подшипниковый узел соединения вала и корпуса;
5 - вал;
6 - муфта;
7 - колесо центробежное;
8 - шнек;
9 - уплотнение лабиринтного типа сальнико-подшипникового узла;
10 - осевой вход колеса центробежного;
11 - уплотнение лабиринтного типа осевого входа колеса центробежного;
12 - радиальные каналы колеса центробежного;
13 - конфузоры;
14 - профилированные лопатки;
15 - статор;
16 - радиальные каналы статора;
17 - профилированная волнообразная поверхность статора;
18 - выступы;
19 - кольцевой зазор;
20 - предохранительный клапан.
Теплопарогенератор вихревого типа содержит сборно-разборный корпус 1, с соосно расположенными входным патрубком 2 и выходным патрубком 3. Внутри корпуса 1 с помощью сальнико-подшипникового узла 4 вертикально закреплен вал 5 с муфтой 6, с колесом центробежным 7 и с консольно закрепленным шнеком 8, лопастями входящим соосно в выходной патрубок 3. Муфта 6 соосно и бесконтактно примыкает к фланцу сальнико-подшипникового узла 4, образуя с ним уплотнение 9 лабиринтного типа. Колесо центробежное 7 своим осевым входом 10 соосно и бесконтактно примыкает к фланцу входного патрубка 2, образуя с ним уплотнение 11 лабиринтного типа. Радиальные каналы 12 центробежного колеса 7 выполнены с конфузорами 13 на выходе, чередующимися с радиально отходящими от периферии колеса 7 профилированными лопатками 14. Вокруг колеса центробежного 7 коаксиально расположен статор 15, выполненный в виде кольца, перфорированного радиальными каналами 16, внутренняя сторона которого имеет профилированную волнообразную поверхность 17 в виде зубчатого колеса и примыкает бесконтактно к концам профилированных лопаток 14, а на его обратной стороне выполнены выступы 18 с отверстиями для крепления в корпусе 1 и с помощью которых между статором 15 и корпусом 1 образован кольцевой зазор 19, в который выходят радиальные каналы 16. В нижней части корпуса 1 на его днище расположен предохранительный клапан 20 для сброса избыточного давления пара в гидросистему объекта потребления тепловой энергии. Функционирование теплопарогенератора вихревого типа происходит следующим образом.
Включается электродвигатель теплопарогенератора.
Электродвигатель в графических материалах отсутствует.
При включении электродвигателя вал 5 вместе с муфтой 6, колесом 7 и шнеком 8 начинает вращаться с заданной скоростью. Подается команда на клапан подачи жидкости во входной патрубок 2 теплопарогенератора, клапан подачи жидкости в графических материалах отсутствует.
Жидкость начинает поступать через входной патрубок 2, бесконтактно соединенный уплотнением 11 лабиринтного типа с осевым входом 10 колеса 7, в радиальные каналы 12. Под действием центробежных сил вращения в жидкости, находящейся в каналах 12, создается высокое давление, которое при истечении жидкости через конфузоры 13 трансформируется в ее высокую скорость. Профилированные лопатки 14, чередующиеся с конфузорами 13 вращающегося колеса 7, создают на выходе струй жидкости из конфузоров 13 локальную, по кругу своего вращения, зону разряжения, обеспечивающего сохранение кинетического импульса струй при их выходе из конфузоров 13 и при движении их в сторону профилированной волнообразной поверхности 17 статора 15. Ударяясь с большой скоростью, по нормали, о волнообразную поверхность 17 статора 15, струи жидкости резко тормозятся, при этом большая часть кинетической энергии струй преобразуется в тепловую энергию частичек жидкости, которые, отражаясь от волнообразной поверхности 17, попадают на лопатки 14 вращающегося колеса 7, затем, отражаясь от лопаток 14, снова движутся на волнообразную поверхность 17 статора 15, и все повторяется снова. Струям жидкости, вышедшим из каналов 12 колеса 7 через конфузоры 13, выход из «активной рабочей зоны», расположенной между лопатками 14 и волнообразной поверхность 17 статора 15, возможен только в парообразном состоянии. В процессе нескольких таких отражений частички жидкости полностью переходят в парообразное состояние и в виде пара выходят из «активной рабочей зоны» по волнообразной поверхности 17, а также и через радиальные каналы 16 статора 15 в кольцевой зазор 19, а затем в общую полость корпуса 1. В отражениях от волнообразной поверхности 17 и лопаток 14 участвует не вся масса жидкости, выходящая через конфузоры 13. Некоторая ее часть, попадая в специальные углубления волнообразной поверхности 17, также почти мгновенно переходит из жидкого состояния в парообразное под высокочастотным, в сотни-тысячи герц, воздействием со стороны вращающихся лопаток 14 и статора 15, и, двигаясь через радиальные каналы 16 статора 15 в кольцевой зазор 19, жидкость в виде пара попадает в общую полость корпуса 1, где пар частично конденсируется и в виде смеси жидкости и пара отводится с помощью шнека 8 через выходной патрубок 3 из корпуса 1 теплопарогенератора в гидросистему объекта.
Давление насыщенных паров, присутствующих в корпусе 1, не в состоянии проникнуть в гидродинамический проточный тракт, образованный входным патрубком 2 и осевым входом 10 колеса центробежного 7 с помощью уплотнения 11 лабиринтного типа, так как уплотнение 11 достаточно герметично и надежно работает при вращении колеса 7. Ресурс уплотнения 11 ничем не ограничен, оно работает, пока вращается колесо 7. Через конфузоры 13 давлению насыщенных паров также не проникнуть в гидродинамический проточный тракт колеса 7 из-за высокого давления жидкости в радиальных каналах 12. Гидродинамический проточный тракт теплопарогенератора, начиная от входного патрубка 2, до выходных сечений конфузоров 13 надежно защищен от протечек жидкости на поверхность колеса 7 и от попадания в него парового пузыря, что гарантирует надежную, устойчивую и эффективную работу предлагаемого теплопарогенератора вихревого типа. Избыточное давление насыщенных паров жидкости в корпусе 1 через предохранительный клапан 20 сбрасывается в гидросистему объекта потребления тепловой энергии.
Муфта 6 с лабиринтным уплотнением 9 осуществляет надежную дополнительную защиту сальнико-подшипникового узла 4 от температурных нагрузок и давления жидкости, обеспечивая его требуемый ресурс работы.
Выключение теплопарогенератора осуществляется только после подачи команды на клапан отключения подачи жидкости на входной патрубок 2, клапан отключения подачи жидкости в графических материалах отсутствует. После прекращения подачи жидкости колесо центробежное 7 останавливается. Процесс преобразования энергии электрического тока в тепловую энергию жидкости приостановлен. Изготовление предлагаемого теплопарогенератора не представляет сложности для обычного машиностроительного предприятия, так как не требует специальных материалов, технологий и оборудования, требуется только нормальная квалификация специалистов.
Технический результат заключается в том, что по сравнению с прототипом предлагаемая конструкция теплопарогенератора позволяет решить задачу - получить максимально высокую интенсивность преобразования энергии электрического тока в тепловую энергию жидкости с эффективностью теплового кпд 0.97-0.99, при снижении скорости вращения колеса центробежного в 2-3 раза и уменьшении требуемой мощности электродвигателя в 8-27 раз, а также существенно, более чем в три раза, повысить его надежность и долговечность работы. Интенсивность преобразования энергии электрического тока в тепловую энергию жидкости предлагаемого теплопарогенератора такова, что
при оборотах вращения колеса центробежного 750-1500 об/мин он является теплогенератором,
при оборотах вращения колеса центробежного 1600-3000 об/мин и более он является парогенератором.
Источники информации
1. «Насос-теплогенератор» - Патент RU 2160417 С2, 10.12.2000 г. - ПРОТОТИП.
2. «Колесо центробежное энергоустановки» - Заявка РФ, RU №2006142667 А1, опубл. 27.05.2008 - аналог колеса центробежного.