УСТАНОВКА ДЛЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО НАГРЕВА ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к теплоэнергетике, именно к устройствам для получения и использования тепла, образующегося иначе, чем в результате сгорания, более конкретно, к установкам для гидродинамического нагрева технологических жидкостей или теплоносителей. Полезная модель может быть использована в качестве источника тепловой энергии в промышленности, на транспорте, в строительной индустрии и сельском хозяйстве, в том числе, в системах нагрева жидкости для отопления зданий и сооружений, в устройствах обогрева транспортных средств, в жилищно-коммунальной сфере, при сушке сельхозпродуктов и подогреве жидких углеводородов для улучшения их реологических свойств.
Известна установка для гидродинамического нагрева жидкости содержащая корпус, имеющий цилиндрическую часть и оснащенный ускорителем движения жидкости, выполненным в виде циклона, торцевая сторона которого соединена с цилиндрической частью корпуса, причем в основании цилиндрической части, противолежащей циклону, смонтировано тормозное устройство, за которым установлено дно с выходным отверстием, сообщающимся с выходным патрубком (см. патент РФ №2045715; МПК F25B 29/00. опублик. 10.10. 1995).
Особенностью известной установки является то, что она содержит подающие и обратные трубопроводы и ускоритель движения жидкости, связанный с насосом посредством инжекционного патрубка, причем тормозное устройство выполнено, по меньшей мере, из двух радиально расположенных ребер, закрепленных на центральной втулке, а в перепускном патрубке ниже зоны его соединения с циклоном установлено дополнительное тормозное устройство.
Недостатками известной установки являются сравнительно малая эффективность преобразования кинетической энергии потока жидкости внутри циклонного ускорителя в тепловую энергию, а также интенсивные шум и вибрация, возникающие в рабочей части циклона и в области тормозного устройства при работе вихревого теплогенератора.
Известно также устройство для гидродинамического нагрева жидкости, содержащее корпус с входом и выходом для нагреваемой жидкости, имеющий цилиндрическую полость, в которой размещены два коаксиальных кольца, одно из которых закреплено неподвижно относительно корпуса, а другое приводится во вращение от приводного вала, соосного с кольцами, с радиальными отверстиями в этих кольцах, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси вращения, причем внешнее коаксиальное кольцо выполнено вращающимся, а внутреннее кольцо выполнено неподвижным относительно корпуса теплогенератора, при этом зазор между вращающимся внешним коаксиальным кольцом и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса составляет от 0,5 до 3 мм (см. патент РФ №2258875, МПК F25B 29/00, опубл. 20.08.2005).
Недостатком известного устройства является сравнительно большое гидравлическое сопротивление его проточной части и сложность монтажа подвижного коаксиального кольца с радиальными отверстиями, которое установлено с минимальным зазором между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса устройства и наружной поверхностью неподвижного коаксиального кольца.
Известна также установка для гидродинамического нагрева жидкости, содержащая цилиндрический корпус, в полости которого установлен, по крайней мере, один диск, кинематически связанный с подключенным к блоку управления приводом вращения, входную, снабженную гидродинамическим излучателем, и выходную магистрали, сообщенные с полостью корпуса с противоположных сторон диска (см. патент РФ №2375648, МПК F24J 3/00, опубл 10.12.2009).
Особенностью известной установки для получения тепловой энергии является расположение входной и выходной магистрали с равным диаметрально противоположным эксцентриситетом относительно оси на величину 0,30÷0,35 от диаметра диска, при этом геометрические размеры устройства связаны следующими соотношениями: D/h1=60÷68, D/h2=650÷700, D/h3=55÷58, где D и h1 - диаметр и толщина диска соответственно, h2 - величина зазора между торцевой поверхностью диска и внутренней торцевой поверхностью корпуса, h3 - величина зазора между боковой поверхностью диска и внутренней боковой поверхностью корпуса, и выходная магистраль сообщена с входной магистралью посредством потребителя тепловой энергии и насоса.
В соответствии с указанными в формуле данного изобретения соотношениями между D, h1, h2 и h3 (см. фиг.2) следует, что, например, при опытной реализации работающего устройства с технически допустимыми размерами: D=300 мм и h1=20 мм соотношение D/h1=15, что не соответствует указанному выше диапазону D/h1=60÷68. Для последнего значения при указанном D=300 мм значение h1 в соответствии с изобретением должно обязательно лежать в диапазоне 5-4,4 мм, т.е. не превышать его. Это является не оправданным ограничением на толщину диска, поскольку эффективность импульсно-волновых и кавитационных процессов в жидкости в зоне отверстий на периферии диска является слабой функцией толщины диска в упомянутых пределах.
2
Для указанных в известной установке значений соотношения D/h2=650÷700 при D=300 мм величина зазора h2 между торцевой поверхностью диска и внутренней торцевой поверхностью корпуса должна составлять 0,46-0,43 мм, что предопределяет значительное увеличение гидравлического сопротивления потоку жидкости на входе в рабочий объем корпуса. При этом проходное сечение для жидкости от входного патрубка к области торцевой поверхности диска падает примерно до 50 мм, что соответствует уменьшению диаметра входного патрубка с 30-40 мм до 8 мм и. недопустимо ухудшает расходные характеристики известной установки.
В части указанных значений соотношения D/h3=55÷58 при D=300 мм величина h3 примерно равна 5,5 мм, тогда как из знакомых источников (см., например, патент РФ №2258875) известно, что значение h3 для величины зазора между боковой поверхностью диска и внутренней боковой поверхностью корпуса реально значительно меньше. Превышение этого значения ухудшает условия кавитации жидкости на отверстиях рабочего диска и снижает эффективность теплогенератора в известной установке из-за холостых протечек рабочей жидкости в указанном кольцевом зазоре.
Аналогичные недостатки отмечены в установках для получения тепловой энергии по патентам РФ №73457 и №75459.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является установка для гидродинамического нагрева жидкости, содержащая цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, установленный по оси корпуса приводной вал, жестко закрепленные на нем рабочие диски со сквозными отверстиями на периферии и присоединенный к валу двигатель (см. патент РФ №2269727, МПК F24J 3/00, опубл 10.02.2006 - прототип).
Особенностью известной установки является то, что каждый из размещенных на валу рабочих дисков установлен под одинаковым по величине и противоположным по знаку острым углом по отношению к валу, а сквозные отверстия на периферии каждого из рабочих дисков выполнены в форме «сопел Лаваля» для обеспечения возможности работы теплового генератора в режиме пульсации потока рабочей жидкости. Кроме того, данный тепловой генератор дополнительно содержит дисковый узел разгрузки в виде жестко установленного на валу дополнительного диска, с» в качестве подшипника, установленного со стороны входного патрубка, использован углепластиковый подшипник.
К недостаткам известной установки следует отнести сравнительно малую эффективность нагрева воды в режиме работы на потребителя и сложную конструкцию наклоненных к оси вала рабочих дисков, имеющих на периферии отверстия криволинейного профиля в виде «сопел Лаваля». При характерной скорости вращения приводного вала 3000 об/мин наклон рабочих дисков к оси вращения вызывает появление на валу знакопеременных изгибающих моментов и значительных сил реакции в подшипниковых узлах, снижающих ресурс теплогенератора. Кроме того, изготовление на периферии дисков большого количества отверстий криволинейного профиля в виде «сопел Лаваля» требует использования достаточно сложных методов обработки металлических дисков, специальной оснастки и инструментов.
Решаемой задачей является создание достаточно простой по конструктивному воплощению, надежной в эксплуатации, технологичной в изготовлении и эффективной установки для гидродинамического нагрева жидкости. При этом изготовление корпуса и рабочих дисков гидродинамического теплогенератора установки должно быть доступно для малых предприятий и ремонтных мастерских при отсутствии в их арсенале специальной оснастки и дорогостоящих инструментов. Дополнительной к указанной является задача создания компактных и сравнительно недорогих установок на основе гидродинамических теплогенераторов, в том числе, для систем отопления коттеджей, жилых зданий и инженерных сооружений.
Решение указанной задачи достигается тем, что в установке для гидродинамического нагрева жидкости, содержащей цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, установленный по оси корпуса приводной вал, жестко закрепленные на нем рабочие диски со сквозными отверстиями на периферии и присоединенный к валу двигатель, согласно полезной модели, на внутренней поверхности сквозных отверстий, по крайней мере, одного рабочего диска и/или на внутренней поверхности цилиндрического корпуса за пределами цилиндрической поверхности рабочего диска выполнены выступы, чередующиеся с углублениями, преимущественно, в виде резьбы треугольного или прямоугольного сечения для дополнительной гидродинамической кавитации нагреваемой жидкости в зоне выступов.
Кроме того, указанные выступы могут быть выполнены регулярно расположенными в результате токарной обработки или нерегулярно расположенными в результате штамповки.
Кроме того, на цилиндрической поверхности рабочих дисков может быть выполнен, по меньшей мере, один кольцевой паз.
Кроме того, торцевые части поверхности каждого из рабочих дисков в диаметрально и аксиально противоположных секторах могут быть снабжены плоскими выточками.
Кроме того, на внутренней поверхности цилиндрического корпуса могут быть выполнены пазы, расположенные параллельно его образующей.
Такое выполнение полезной модели позволяет решить поставленную задачу создания сравнительно простой, технологичной и эффективной установки для гидродинамического нагрева жидкости, изготовление основных узлов которой доступно для малых предприятий и ремонтных мастерских. Указанная задача наиболее просто решается при нарезании резьбы в сквозных отверстиях на периферии рабочих дисков и на внутренней поверхности рабочей части корпуса теплогенератора, а также при накатке, штамповке или дробеструйной обработке указанных поверхностей для создания на них углублений и выступов необходимых размеров.
Выполнение на внутренней поверхности корпуса и в отверстиях на периферии рабочих дисков регулярно или нерегулярно расположенных выступов, чередующихся с углублениями или пазами, например, в виде резьбы треугольного или прямоугольного сечения обеспечивает при работе устройства дополнительную гидродинамическую кавитацию нагреваемой жидкости в зоне выступов и повышение эффективности ее нагрева. При этом кавитационные явления возникают прежде всего за пределами острых кромок выступов в области расположенных ниже по потоку движения жидкости углублениях в виде пазов, канавок и впадин.
На фиг.1 представлена принципиальная блок-схема установки для гидродинамического нагрева теплоносителя в системе обогрева жилых помещений, на фиг.2 показаны части корпуса и рабочего колеса теплогенератора, оснащенного упомянутыми кавитирующими элементами.
Установка для гидродинамического нагрева теплоносителя (воды) в системе обогрева жилых помещений (фиг.1) содержит гидродинамический теплогенератор 1, включающий цилиндрический корпус 2 с входным 3 и выходным 4 патрубками, а также установленный по оси корпуса 2 приводной вал 5 и присоединенный к валу 5 с помощью муфты 6 электродвигатель 7. Основной гидравлический контур 8 установки содержит циркуляционный насос 9, параллельно включенные батареи 10 водяного отопления и тепловой аккумулятор 11, уравнительную емкость 12, воздушный клапан 13, линию байпаса 14 и линию 15 с вспомогательным патрубком для подачи теплоносителя в цилиндрическую часть теплогенератора 1.
Для заданного функционирования гидравлической системы установки в гидравлический контур 8 включены шесть дистанционно управляемых запорных вентилей 16 и соответствующее число вентилей 17 на входе батарей 10, а в контрольных точках контура 8 установлены манометрические 18 и температурные 19 датчики, дистанционный тахометр 20 и дистанционный датчик уровня 21. Цепи питания электродвигателя 7 и электродвигателя циркуляционного насоса 9, а также управляющие входы дистанционно управляемых запорных вентилей 16 и выходы датчиков 18, 19, 20, 21 соединены линиями 22, 23, 24 с соответствующими выходами и входами блока управления 25, входящего в состав пульта 26 для автоматического управления работой установки на каждом из предусмотренных режимов эксплуатации.
Гидродинамический теплогенератор 1 (фиг.2) предложенного устройства для нагрева жидкости включает цилиндрический корпус 2, первый торцевой фланец 27 и первый рабочий диск 28, снабженный на периферии сквозными отверстиями 29, оси которых выполнены параллельными оси корпуса 2 (входной 3 и выходной 4 патрубки и приводной вал 5, на котором жестко закреплены рабочие диски 28 теплогенератора 1 на фиг.2 не показаны).
Согласно полезной модели часть или вся внутренняя поверхность корпуса 2 за пределами цилиндрической поверхности рабочего диска 28 или между смежными рабочими дисками может быть снабжена регулярными спиральными канавками 30 с выступами 31 прямоугольного или иного сечения, выполнеными, например, с помощью накатки в токарном станке. Указанные выступы и углубления на части внутренней поверхности корпуса 2 между смежными рабочими дисками 28 могут иметь также вид прямых пазов, параллельных образующей корпуса 2 (не показаны). Глубина канавок или пазов между выступами на внутренней поверхности корпуса 2 и в сквозных отверстиях 29 условно показана на фиг.2 пунктирными линиями.
Для решения поставленной задачи путем создания зон дополнительной гидродинамической кавитации в нагреваемой жидкости регулярно расположенные выступы внутри сквозных отверстий 29 могут располагаться как на всех отверстиях, так и на некоторой их части. В данном конкретном случае внутренняя цилиндрическая поверхность отверстий 29 на периферии одного или нескольких рабочих дисков 28 снабжена спиральными выступами с канавками между ними, образующими стандартную, специальную, мелкую или глубокую резьбу треугольного, прямоуголиного или иного сечения (витки резьбы на фиг.2 обозначены поз.32). В соответствии с предложенной полезной моделью такая резьба может быть нарезана также лишь на выходной части отверстий 29 на периферии рабочих дисков 28, поскольку именно на выходе отверстий 29 формируются наиболее благоприятные условия для образования кавитационных пузырьков.
При этом на цилиндрической поверхности 33, по крайней мере, одного рабочего диска 28 может быть выполнено несколько кольцевых пазов 34, которые могут иметь небольшие глубину и ширину в пределах 0,5-2 мм для выполнения ими, в том числе, функции лабиринтного уплотнения, применяемого на вращающихся валах высокооборотных машин. В случае использования одного более глубокого кольцевого паза 34, изображенного ни фиг.2, его функции заключаются, преимущественно, в развитии на кромках паза кавитационных зон, как и в случае глухих радиальных отверстии, обычно располагаемых на цилиндрической поверхности диска 28 (на фиг 2 последние не показаны).
Одновременно торцевые части поверхности рабочего диска 28 в диаметрально и аксиально противоположных секторах могут быть снабжены плоскими выточками 35 с прямым или дугообразным краем вдоль радиуса или хорды окружности диска 28. На фиг.2 одна плоская выточка 35 размещена со стороны первого торцевого фланца 27, а вторая плоская выточка (не показана) размещена в противоположном относительно оси и плоскости диска 28 секторе, то есть в нижней части этого диска на его противоположной стороне. Поз. 36 на фиг.2 обозначен зазор между первым рабочим диском 28 и фланцем 27, по которому жидкость поступает от патрубка 3 к сквозным отверстиям 29.
Согласно предложенной полезной модели указанные кавитирующие элементы на внутренней поверхности корпуса 2 теплогенератора 1, в отверстиях 29 на периферии рабочих дисков 28, а также на их торцевых и цилиндрических поверхностях могут быть выполнены как по отдельности, так и все вместе. При этом обязательным для решения поставленной задачи является наличие кавитирующих элементов, прежде всего, на внутренней поверхности сквозных отверстий 29, а затем на внутренней поверхности корпуса 2 или одновременно в указанных местах теплогенератора 1. Как было указано, в отдельных случаях кавитирующие элементы могут располагаться не на всех отверстиях 29 или только на части их длины, что влияет на общий уровень кавитации в жидкости, но оказывается достаточным для решения поставленной задачи. Количество и объем кавитационных зон в нагреваемой жидкости напрямую связаны с числом и размерами используемых кавитирующих элементов предложенного вида.
Характерные размеры выступов и углублений на указанных элементах рабочих дисков 28 и корпуса 2, например, в виде треугольной резьбы, могут находиться (для шага и глубины) в пределах от 0,3 до 1,5 мм для отверстий 29 и от 1 до 4 мм для внутренней поверхности корпуса 2. Для выступов, образованных прямоугольной резьбой, указанные размеры могут иметь большие значения. Глубина плоских выточек 35 на торцевой части поверхности рабочего диска 28 может составлять 2-8 мм при толщине диска 28 от 10 до 20 мм, площадь выточек 35 может достигать 20-40% от площади торцевой поверхности диска 28. Использование линии байпаса 14 позволяет улучшить условия рабочего запуска теплогенератора 1, а применение дополнительной линии 15 для подачи теплоносителя в цилиндрическую часть корпуса 2 позволяет регулировать гидравлическое сопротивление теплогенератора 1 на отдельных режимах его работы.
Указанные выше наиболее оптимальные соотношения размеров кавитирующих элементов на внутренней поверхности корпуса 2 и на рабочих дисках 28 были получены в результате проведенных авторами и разработчиками теоретических и натурных исследований отдельных систем предложенной установки. Полученные результаты использованы при проведении проектно-конструкторских работ в ходе создания промышленной установки для гидродинамического нагрева жидкости.
Установка для гидродинамического нагрева жидкости в системе обогрева жилых помещений функционирует следующим образом.
Основным механизмом генерирования тепла в теплогенераторе данного типа является нагрев жидкости за счет вязкостного трения слоев жидкости, в том числе, в слоях, пограничных с твердыми стенками корпуса 2 и рабочих дисков 28 теплогенератора 1. Другим механизмом генерирования тепла в данной установке является получение тепловой энергии за счет кавитации в рабочей жидкости. Гидродинамическая кавитация представляет собой эффективное средство концентрации энергии звуковых волн низкой плотности в высокую плотность энергии, связанную с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков. В момент схлопывания кавитационного пузырька, давление и температура газа внутри них достигают значительных величин. Энергия, сообщаемая жидкости за счет схлопывания кавитационных пузырьков, прямо пропорциональна их количеству. Степень развитости кавитации определяет индекс кавитации, показывающий отношение объема кавитационного облака к общему объему жидкости в активной рабочей зоне.
2
При создании полезной модели учитывались следующие факторы, связанные с гидродинамикой обтекания жидкостью рабочих частей теплогенератора 1. Максимальное растяжение тщательно очищенной воды, достигнутое при растяжении воды при 10°С, составляет около 280 кг/см, обычно же ее разрыв возникает при давлениях, лишь немного меньших давления насыщенного пара жидкости (см., например. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. Ред. И.П. Голямина - М.: «Советская энциклопедия», 1979, с. 156). Для развития кавитационных процессов в жидкости можно увеличить гидростатическое давление или изменить соответствующие формы элементов конструкции, влияющих на понижение давления вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости. Увеличение скорости потока после начала кавитации вызывает быстрое возрастание числа кавитационных пузырьков, вслед за этим происходит их объединение в общую кавитационную каверну, зачем течение переходит в струйное. Сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается, своего рода гидравлическим ударом, тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырек. Особенно быстро струйное течение организуется в случае плохо обтекаемых тел.
Для функционирования системы обогрева жилых помещений в основном гидравлический контур 8 подключают гидродинамический теплогенератор 1 с приводным валом 5, муфтой 6 и электродвигателем 7. При этом контур 8 системы обогрева должен содержать циркуляционный насос 9, параллельно включенные батареи 10 водяного отопления и тепловой аккумулятор 11, уравнительную емкость 12, воздушный клапан 13 и линию байпаса 14. Тепловой аккумулятор 11 предназначен, в том числе, для обеспечения работоспособности установки в период отключения электроэнергии.
До включения установки теплоноситель, например, вода должна заполнить гидравлический контур 8 из емкости 12. После включения питания по командам с блока 25 пульта управления 26 включаются насос 9 и привод 7 для вращения рабочих дисков 28 теплогенератора 1. Насос 9 обеспечивает на входе теплогенератора 1 давление воды 4-7 атм. Вода из насоса 9 через входной патрубок 3 поступает в полость корпуса 2 теплогенератора 1, рабочие диски 28 которого приводят жидкость в состояние вихревого течения, в том числе, внутри сквозных отверстий 29. При этом в теплоносителе осуществляется интенсивное гидромеханическое вязкостное трение слоев жидкости, сопровождаемое ее нагревом. При взаимодействии жидкости с рабочим диском 28 или системой дисков, преимущественно в зоне сквозных отверстий 29, теплоноситель испытывает, наряду с гидромеханическим, также гидродинамический нагрев, связанный с кавитационными процессами в жидкости.
Дистанционно управляемые запорные вентили 16 в контуре 8 и 17 на входе батарей 10 должны обеспечивать автоматическое управление и работу гидравлической системы установки в режимах запуска и штатного функционирования теплогенератора 1. Своевременное открытие и закрытие дистанционно управляемых вентилей 16, 17 обеспечивается посредством передачи к ним управляющих сигналов от блока 25 пульта управления 26 с учетом данных о состоянии теплоносителя в контрольных точках контура 8 от манометрических 18 и температурных 19 датчиков, а также сигналов от дистанционного тахометра 20 и дистанционного датчика уровня 21. Одновременно по линиям 22, 23 от блока 25 осуществляется подача питания на электродвигатель 7 теплогенератора 1 и электродвигатель циркуляционного насоса 9 для функционирования установки на каждом из предусмотренных режимов эксплуатации. Количество оборотов привода вала 5 теплогенератора 1 регистрируется тахометром 20, при этом номинальное значение скорости вращения рабочих дисков 28 обычно составляет 3000 об/мин.
При работе теплогенератора 1 жидкость поступает под давлением от насоса 9 через входной патрубок 3 и зазор 36 к сквозным отверстиям 29 на периферии рабочих дисков 28. Практически весь поток жидкости через теплогенератор 1 вынужден проходить через отверстия 29, тогда как ее расход через зазор между цилиндрическими поверхностями диска 28 и корпуса 2 может составлять сравнительно малую величину. Благодаря наличию на внутренней поверхности отверстий 29 регулярно расположенных выступов и углублений создаются упомянутые зоны дополнительной гидродинамической кавитации в нагреваемой жидкости. Именно спиральные выступы 32 в отверстиях 29, образующие резьбу, например, треугольного сечения формируют условия для интенсивного образования кавитационных пузырьков при высоких скоростях течения жидкости.
На выступах 32 жидкость испытывает особенно значительные локальные знакопеременные пульсации расхода и давления, обусловленные вихревыми, стуйными и импульсно-волновыми процессами. Так, при средней скорости движения воды в корпусе 2 теплогенератора 1 в пределах 6-10 м/с на острых кромках выступов 32 можно достичь высокой скорости вихревого течениия жидкости более 20-50 м/с, достаточной для возникновения кавитации. При локальных значениях скорости жидкости кавитационные разрывы в потоке жидкости проявляются также на внутренней цилиндрической поверхности корпуса 2 между рабочими дисками 28, где выполнены регулярные спиральные или прямые выступы 31, чередующиеся с канавками или пазами 30. Аналогичные явления, но в меньшей степени, возникают также в области глухих отверстий (не показаны) и кольцевых пазов 34 на цилиндрической поверхности дисков или в упомянутых плоских выточках 35 на торцевых частях поверхности рабочих дисков 28.
Как указывалось, обязательным для создания зон интенсивной кавитации является наличие кавитирующих элементов, прежде всего, на внутренней поверхности отверстий 29, а также на внутренней поверхности корпуса 2 или одновременно на тех и других. Дополнительные кавитирующие элементы на цилиндрической поверхности 33 рабочего диска 28 в виде глухих радиальных отверстий или кольцевых пазов 34, а также в виде плоских выточек 35 на торцевых частях поверхности рабочего диска 28 обеспечивают свой дополнительный вклад в развитие кавитационных процессов в жидкости.
Вращаясь с частотой около 3000 об/мин, рабочие диски 28 формируют процессы вязкого трения в слоях жидкости, протекающей в рабочем объеме теплогенератора 1, и соответственно ее гидромеханический нагрев. При интенсивном завихрении потока воды вблизи входных и выходных кромок сквозных отверстий 29 образуется множество кавитационных пузырьков, которые группируются, образуя кавитационную область (пульсирующую каверну) сложной и изменчивой формы. На выходе из сквозных отверстий 29, благодаря наличию острых кромок на выступах 31 и пазах 30 па внутренней поверхности цилиндрического корпуса 2, возникают высокоскоростные завихрения и пульсации потока воды, обеспечивающие появление новых кавитационных зон и дополнительный гидродинамический нагрев жидкости.
При быстром вращении рабочего диска 28 центробежные силы и давление на входе в теплогенератор 1 стремятся протолкнуть воду через сквозные отверстия 29, а также выбросить ее из имеющихся глухих отверстий и из кольцевого паза 34 на цилиндрической поверхности 33 диска 28. При выходе за пределы диска вихревые струи воды направляются с высокой скоростью на чередующиеся выступы 31 внутренней поверхности корпуса 2. Скорость отдельных участков потока в области среза диска 28 на выходе из сквозных отверстий 29 резко и с высокой частотой изменяется, возникают сильные пульсации жидкости, также сопровождающиеся кавитацией.
Элементарный столб воды в сечении кольцевого паза 34 на цилиндрической поверхности диска 28 при его интенсивном вращении испытывает значительные растягивающие усилия вплоть до разрыва сплошности воды, порождая кавитационные явления. Под действием центробежных сил оторвавшийся от дна кольцевого паза 34 участок воды, выбрасывается в радиальном направлении из углубления и с большой скоростью ударяется в сопряженную внутреннюю цилиндрическую поверхность корпуса 2. В результате вдоль окружности диска 28 возникают серии ударных волн, которые способствуют схлопыванию кавитационных пузырьков в жидкости как в зазоре, так и на выходе из зазора между рабочим диском 28 и корпусом 2 теплогенератора 1. При схлопывании температура внутри кавитационных пузырьков повышается до нескольких тысяч градусов по Цельсию и в процессе ряда быстрых периодических сжатиий и расширениий кавитационных пузырьков происходит достаточно сильный нагрев парогазовой смеси в них, а затем и всей воды в области рабочего диска.
Для дополнительного вихреобразования и предотвращения забивания узких рабочих каналов теплогенератора 1 в кольцевых зазорах между периферией рабочих дисков 28 и внутренней стенкой цилиндрического корпуса 2 частицами различных механических примесей желательно обеспечить дополнительный пульсирующий режим работы устройства. Для этого в упомянутом патенте РФ №2269727 каждый из рабочих дисков теплогенератора установливался под одинаковым по величине острым углом по отношению к валу. В предложенной установке торцевые части поверхности каждого из рабочих дисков 28 теплогенератора 1 в диаметрально и аксиально противоположных секторах снабжены плоскими выточками 35, что обеспечивает эффект, аналогичный наклону дисков, но при их перпендикулярном креплении на валу 5. В результате такого конструктивного исполнения рабочих дисков 28 обеспечиваются условия для дополнительной пульсации кавитирующего потока рабочей жидкости в теплогенераторе 1 при одновременном упрощении их конструкции и сохранении технологичности установки.
3
Наличие блока управления 25 пульта 26 и указанных связей между составными частями установки для гидродинамического нагрева жидкости она может функционировать в полностью автоматическом или полуавтоматическом режимах при различных уровнях потребления вырабатываемой тепловой энергии. Для выбранной мощности экспериментального образца теплогенератора 55 кВт при оптимальных условиях прокачки теплоносителя около 2-4 м/час его температура поднимается до 10°С и более за один цикл прокачки заданного объема жидкости. Опыты, проведенные на действующем теплогенераторе, показали, что наличие инициирующих кавитацию элементов в виде выступов, чередующихся с углублениями, на сквозных отверстиях рабочего диска и/или на внутренней рабочей поверхности цилиндрического корпуса позволяет повысить эффективность нагрева на несколько градусов Цельсия на каждом рабочем диске по сравнению с известными устройствами того же назначения.
Предложенная установка для получения тепловой энергии обеспечивает сравнительно более высокие значения теплового эффекта при одновременном упрощении и повышении технологичности конструкции. Повышение эффективности гидродинамического нагрева жидкости в предложенной полезной модели в сравнении с известными установками того же назначения достигается за счет создания оптимальных условий для образования наибольшего количества кавитационных зон в рабочем объеме теплогенератора. Полезная модель может быть использована для подогрева технологических жидкостей, отопления и горячего водоснабжения, а также в различных отраслях промышленности для проведения и интенсификации различных физико-химических процессов.