ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ТЕКУЧИХ СРЕД

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ТЕКУЧИХ СРЕД
Полезная модель относится к конструкции малогабаритных гидродинамических нагревателей текучих сред, которые лредназначены служить источниками тепла лреимущественно в замкнутых автономных системах теплоснабжения.
Здесь и далее применительно к полезной модели обозначены:
а)термином текучая среда - такие ньютоновские жидкие теплоносители, как вода и водные растворы веществ, которые предупреждают образование накипи на стенках деталей систем теплоснабжения, или иные подходящие жидкости с высокими удельными теплоёмкостью и теплотой парообразования;
б)термином «гидродинамический нагрев - преобразование кинетической энергии турбулентного потока текучей среды в теплоту вследствие трения жидкости о жидкость, вследствие трения жидкости о стенки каналов при её протекании в пределах устройства и вследствие образования и схлопывания кавитационных пузырьков преимущественного на периферийной части рабочего колеса насоса.
В экономически развитых странах наряду с урбанизацией наблюдается интенсивное переселение лкщей в пригородные зоны. Их обычно застраивают относительно небольшими отдельно стоящими домами, которые рассчитаны на одну семью. Прокладка теплотрасс к ним экономически невыгодна из-за существенных потерь тепла в фунт. Поэтому такие дома подключают только к электросети и для их отопления в зимний период используют электронагревательные приборы различных конструкций.
Естественно предположить, что такое отопление должно быть как можно более экономичным, а используемые электронагреватели должны бьпь как можно проще по конструкции, малогабаритны, надёжны в эксплуатации и доступны для потребитепей по цене.
Первому условию явно не соответствуют обычные элеюрические калориферы, поскольку они не способны запасать достаточное количество тепла на случай отключения электропитания. Соответственно, в отопительный сезон их приходится держать включёнными практически круглосуточно, хотя известно, что дневной и ночной тарифы за элеюроэнергию существенно различаются. Оснащение таких калориферов регуляторами температуры позволяет лишь незначительно снизить суммарный расход электроэнергии на отопление.
Более перспективно вкпючение элекгронафевателей в замкнутые автономные системы теплоснабжения, которые работают с использованием жидких теплоносителей и оснащены теплоаккумуляторами. Это позволяет использовать ночной избыток генерируемой электроэнерп/1И для отопления зданий днём.
МПК F 25 в 29/00 F 24 D 3/04
сред, которые содержат электродвигатель, насос, по меньшей мере одно средство преобразования кинетической энергии потока текучей среды в теплоту и средства для подключения насоса к входу в систему теплоснабжения и выходу из неё.
Например, из SU 1627790 А1 известен гидродинамический нагреватель, в котором температура текучей среды возрастает вследствие её трения о рабочие органы, приведимые во вращение от произвольного (обычно относительно тихоходного ветряного) двигателя.
Этот нагреватель, корпус которого с запасом теплоносителя служит аккумулятором тепла, работает в пракгически ламинарном режиме, что исключает кавитацию, и потому весьма надёжен в эксплуатации. Однако он фомоздок, имеет низкую удельную мощность и низкую же теплопроизводительность.
Существенно более мощный и производительный гидродинамический нагреватель известен из SU 1703924 А1. Он имеет контур рециркуляции жидкого теплоносителя с центробежным насосом для разгона и интенсивной турбулизации «внутренней текучей среды и, обычно, водо-ведяным кожухотрубчатым теплообменником для отбора тепла с применением «внешнего жидкого теплоносителя. При этом для подавления кавитации на центральном входном патрубке насоса такого нагревателя установлен эжекгор, который обеспечивает питание насоса жидкостью с повышенным, исключающим кавитацию давлением.
Поскольку гидродинамический нагрев происходит лишь вследствие внутреннего трения в текучей среде и её трения о стенки теплообменника, постольку описанный нафеватель довольно долго выходит на рабочий режим, а подкпючение такого нагревателя к автономной сети теплоснабжения через указанный теплообменник существенно затрудняет аккумулирование запаса тепла «с ночи на день.
Поэтому более эффективны такие нагреватели, которые, при необходимости, способны работать в режиме регулируемой гидродинамической кавитации.
Например, из публикации WO 98/42987 Международной заявки PCT/UA 97/00003 (особенно фигур 8 и 9) известен нагреватель, имеющий отдельно стоящие насос с приводом вращения и вертикальный проточный резервуар-аккумулятор тепла, который подключён питающим и отводящим патрубками - соответственно к источнику холодной и к потребителям горячей воды, придонной частью - к всасывающему патрубку насоса, а верхней частью - через средство возбуткдения гидродинамической кавитации - к выходу из насоса. Указанным средством служит напорный патрубок сравнительно большого диаметра с двумя существенно меньшими по диаметру симметричными байпасными патрубками для отбора части текучей среды из нагнетательного патрубка насоса и её возврата в основной поток этой же среды в виде возмущающих струй. . НИИ и/или горячем водоснабжении многоквартирных жилых домов или крупных общественных зданий. Однако оно сложно по конструкции, громоздко и не приспособлено для систем отопления односемейных жилых домов. Следует также отметить, что тепло, генерируемое работающим электродвигателем насоса и самим насосом, безвозвратно теряется. Поэтому желательно, чтобы по меньшей мере один из этих узлов был пофужён в жидкий теплоноситель внутри аккумулятора тепла. Из числа гидродинамических нагревателей такого типа к предлагаемому далее устройству по технической сути наиболее близко устройство для нагрева жидкостей согласно UA Patent на полезную модель № 99. Оно имеет: проточный полый корпус-аккумулятор тепла с патрубками для подключения к напорной (горячей) и возвратной (холодной) ветвям системы теплоснабжения, по меньшей мере одноступенчатый центробежный насос для нагнетания нагреваемой текучей среды, установленный внутри корпуса-аккумулятора тепла, электродвигатель, жёстко закреплённый на торце корпуса-аккумулятора тепла и кинематически связанный с валом рабочего колеса насоса муфтой, которая установлена в собственном герметичном корпусе с уплотнениями по местам ввода валов, внешнее средство турбулизации потока нагреваемой текучей среды (теплогенератор), которое подключено к нагнетательному и всасывающему патрубкам насоса и - через указанный корпус-аккумулятор - к системе теплоснабжения. Введение насоса внутрь корпуса-аккумулятора тепла позволило сократить осевой габарит этого корпуса и размеры описанного нагревателя в целом. Однако внешнее расположение теплогенератора и электродвигателя относительно корпуса-аккумулятора тем заметнее увеличивает потери тепла, чем больше выходная мощность известного нагревателя. Далее, соединение валов электредвигателя и насоса через муфту тем более снижает надёжность нагревателя, чем выше температура в зоне уплотнений. И, наконец, внешняя трубопроводная обвязка, необходимая для рециркуляции текучей среды между теплогенератором и корпусом-аккумулятором тепла, также оказывается тем менее надёжной, чем больше выходная мощность нагревателя и, соответственно, выше гидромеханические нафузки. В основу полезной модели положена задача усовершенствованием формы корпусааккумулятора тепла и взаиморасположения и взаимосвязи насоса и электродвигателя, создать такой гидродинамический нагреватель текучих сред, который обладал бы как можно меньшей теплоизлучающей поверхностью и как можно более высокой надёжностью. Поставленная задача решена тем, что в гидродинамическом нагревателе текучих сред, включающем:
l -fL
(горячей) и возвратной (холодной) ветвям системы теплоснабжения,
по меньшей мере одноступенчатый центробежный насос для нагнетания нагреваемой текучей среды, установленный внутри корпуса-аккумулятора тепла, и
электродвигатель, жёстко закреплённый относительно корпуса-аккумулятора тепла и кинематически связанный с валом рабочего колеса насоса,
согласно изобретательскому замыслу
полый корпус-аккумулятор тепла разделён поперечной перегородкой на две камеры, которые сообщаются между собой по меньшей мере через один П-образный байпасный трубопровод,
насос расположен в той камере корпуса-аккумулятора тепла, которая оснащена по меньшей мере одним патрубком дпя подключения к напорной (горячей) ветви системы теплоснабжения,
электродвигатель расположен внутри второй камеры корпуса-аккумулятора тепла и его рабочий вал свободно пропущен через указанную поперечную перегородку и жёстко связан с валом рабочего колеса насоса.
В таком гидродинамическом нагревателе кинетическая энергия текучей среды преобразуется в тепловую энергию вследствие срыва её турбулизованного потока с рабочего колеса насоса (в том числе с эффектом регулируемой кавитации), трения жидкости о жидкость внутри камеры, где установлен насос, и трения жидкости о стенки тракта рециркуляции между камерами. Указанные форма выполнения корпуса-аккумулятора тепла и взаиморасположение и взаимосвязь насоса и электродвигателя не только обеспечивают утилизацию тепловыделения в электродвигателе, но и существенно сокращают общую теплоизлучающую поверхность и, соответственно, потери тепла в окружающую среду, а жёсткая связь валов насоса и электродвигателя существенно повышает надёжность нагревателя в целом.
Первое дополнительное отличие состоит в том, что полый корпус-аккумулятор тепла выполнен круглым в поперечном сечении и его геометрическая ось совпадает с геометрическими осями рабочего колеса насоса и ротора электродвигателя. Такая конструкция наиболее удобна в изготовлении, монтаже и эксплуатации.
Второе дополнительное отличие состоит в том, что поперечная перегородка  камерами имеет по меньшей мере одно перфорационное отверстие. Это облегчает перетекание нагреваемой текучей среды из «насосной камеры в «двигательную камеру.
Третье дополнительное отличие состоит в том, что полый корпус-аккумулятор тепла снабжён промежуточной смесительной камерой, выход из которой расположен напротив всасывающего отверстия в рабочем колесе насоса и в которую совместно открыты выходной патрубок по меньшей мере одного П-образного байпасного трубопровода и патрубок дпя
подключения нагревателя к возвратной (холодной) ветви системы теплоснабжения. Это способствует регулированию температуры теплоносителя с учётом реальных потребностей в отоплении в зависимости от сезона, времени суток и присутствия или отсутствия лкэдей в отапливаемых помещениях.
Четвёртое дополнительное отличие состоит в том, что полый корпус-аккумулятор тепла снабжён несколькими П-образными байпасными трубопроводами, по меньшей мере один из которых оснащён регулятором проходного сечения. Это позволяет регулировать расход текучей среды в контуре её рециркуляции относительно камер корпуса-аккумулятора тепла.
Пятое дополнительное отличие состоит в том, что П-образные байпасные трубопроводы расположены в радиальных плоскостях и подключены вблизи торцевых крышек корпуса.
Далее сущность полезной модели поясняется подробным описанием конструкции и работы предлагаемого нагревателя со ссылками на приложенные чертежи, где изображены на:
фиг.1 - гидродинамический нафеватель текучих сред (продольный разрез);
фиг. 2 - схема потоков жидкости относительно рабочего колеса насоса.
Гидродинамический нагреватель текучих сред может быть изготовлен в широком наборе частных конструктивных вариантов, различных по выходной мощности габаритам и количеству вспомогательных узлов и деталей. Однако независимо от конструюивного выполнения все нагреватели согласно полезной модели имеют следующие части (см. фиг.1):
проточный полый корпус-аккумулятор 1 тепла с патрубками 2 и 3 для подключения соответственно к напорной (горячей) и возвратной (холодной) ветвям системы теплоснабжения, который разделён поперечной перегородкой 4 на две камеры, сообщающиеся по меньшей мере через один П-образный байпасный трубопровод 5, который обычно расположен в радиальной плоскости и подключён преимущественно вблизи торцевых крышек указанного корпуса 1,
по меньшей мере одноступенчатый центробежный насос 6 дпя нагнетания нагреваемой текучей среды, установленный внутри той камеры корпуса 1, которая оснащена по меньшей мере одним патрубком 2 для подключения к напорной ветви системы теплоснабжения, и
электродвигатель 7 с герметичным корпусом, который жёстко прикреплён к перегородке 4 внутри второй камеры корпуса-аккумулятора 1 тепла и установлен с практически равномерным зазором относительно стенок этой камеры. Рабочий вал этого элеюродвигателя 7 пропущен сквозь отверстие в перегородке 4 по меньшей мере по скользящей посадке и жёстко связан с валом рабочего колеса насоса 6 (а в оптимальном случае непосредственно служит валом этого колеса).
Для удобства изготовления, монтажа и эксплуатации целесообразно, чтобы полый корпус-аккумулятор 1 тепла имел круглое поперечное сечение и чтобы его геометрическая ось
совпадала с геометрическими осями рабочего колеса центробежного насоса 6 и ротора электродвигателя 7.
Если патрубок 3 для подкпючения корпуса-аккумулятора 1 тепла к возвратной ветви системы теплоснабжения присоединён к камере, где расположен электродвигатель 7, то поперечная перегородка 4 должна иметь по меньшей мере одно перфорационное отверстие 8 для перетекания нагреваемой текучей среды из «насосной камеры в «двигательную камеру. На практике желательно иметь не менее двух-трёх таких отверстий 8. которые, как правило, расположены концентрично геометрической оси вала электродвигателя 7 на равных угловых расстояниях одно от другого.
Если же патрубок 3 для подключения корпуса-аккумулятора 1 тепла к возвратной (холодной) ветви системы теплоснабжения присоединён к камере, где расположен центробежный насос 6, то желательно оснастить эту «насосную камеру промежуточной смесительной камерой 9. Выход из неё обычно расположен напротив всасывающего отверстия в рабочем колесе насоса бив неё должны бьпь совместно открьпы выходной патрубок по меньшей мере одного П-образного байпасного трубопровода 5 и упомянутый патрубок 3.
Если полый корпус-аккумулятор 1 тепла снабжён несколькими, в частности, расположенными в разных радиальных плоскостях П-образными байпасными трубопроводами 5, то по меньшей мере один из этих трубопроводов 5 (а по желанию - все трубопроводы 5) следует оснастить регулятором 10 проходного сечения.
И, наконец, следует отметить, что в обращённой к электродвигателю 7 части рабочего колеса насоса 6 (см. фиг.2) могут быть выполнены по меньшей мере два оппозитных разфузочных отверстия 11, которые должны стабилизировать давление текучей среды на входе в «двигательную камеру корпуса-аккумулятора 1 тепла.
Описанный плдродинамический нагреватель текучих сред работает таким образом.
После монтажа, подкпючения к системе отопления и/или горячего водоснабжения и заполнения всех полостей гидравлической системы выбранной текучей средой включают электродвигатель 7. Рабочее колесо насоса 6 при вращении создаёт повышенное давление на периферии и пониженное давление в центральной части (см. соответствующие стрелки на фиг.2). Соответственно текучая среда с относительно низким напором входит в полость рабочего колеса насоса б и покидает эту полость под давлением, достаточным для работы на любом из возможных режимов.
Так, в режиме запуска, когда весь заполненный текучей средой объём гидродинамического нагревателя отключён от системы отопления, турбулизованная (и, в частности, кавитирующая) текучая среда циркулирует «в малом контуре, переходя из «насосной камеры сквозь отверстия 8 и/или через кольцевой зазор  валом электродвигатепя 7 и стенкой
соответствующего отверстия в перегородке 4 в «двигательную камеру, омывая корпус электродвигателя 7 (с отбором тепла) и возвращаясь через по меньшей мере один П-образный байпасный трубопровод 5 в зону всасывания рабочего колеса насоса 6.
После достижения заданной исходной температуры нагреватель через патрубки 2 и 3 соединяют с системой отопления. В этом основном рабочем режиме лишь малая часть текучей среды циркулирует через описанный малый контур, а большая её часть вьпесняется насосом 6 через напорный патрубок 2 в систему отопления и, охладившись, возвращается через патрубок 3 либо прямо в зону всасывания насоса 6, либо в смесительную камеру 9, либо непосредственно в «двигательную камеру корпуса-аккумулятора 1 тепла.
Для выключения нагревателя достаточно отключить электродвигатель 7.
Специалисту понятно, что приведенные примеры осуществления полезной модели и типовое описание работы не исчерпывают все конкретные конструкции и все возможные аспекты применения гидродинамического нагревателя и никоим образом не офаничивают объём прав изобретателя. Действительно:
все контактирующие с офужающей средой части нагревателя должны иметь подходящую теплоизоляцию, которая условно не показана и не обозначена на фиг.1;
поперечные размеры «насосной и «двигательной камер, как это, в час1 ности, и показано на фиг.1, могут быть неодинаковыми и зависеть от конкретных поперечных размеров рабочего колеса насоса 6 и корпуса электродвигателя 7 и от желаемой суммарной теплоёмкости нагревателя;
на патрубках 2 и 3 могут бьп-ь установлены собственные краны и/или вентили, которые, ради упрощения, не показаны и не обозначены на фиг.1;
патрубки 2 и 3 могут иметь произвольные подходящие средства дпя соединения с соответствующими ветвями системы отопления, причём возвратный патрубок 3 может быть подкпючён либо к «насосной, либо к «двигательной камере, как это показано на фиг.1;
в блоке с нагревателем может быть поставпен (с соответствующей трубопроводной обвязкой) дополнительный бак-аккумулятор нагретого теплоносителя, который используют в ночное время для накопления тепла, а в дневное - для его отдачи.
U)o-f /,гг57/