УСТАНОВКА ДЛЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО НАГРЕВА ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к теплоэнергетике, более конкретно, к установкам для гидродинамического нагрева теплоносителей или технологических жидкостей и может найти применение в автономных системах отопления и горячего водоснабжения жилых зданий и производственных помещений, при подогреве жидких углеводородов для улучшения их реологических свойств и пр.
В области создания устройств для гидродинамического нагрева жидкостей известны многочисленные технические решения, связанные с использованием сопловых, инжекторных, вихревых, циклонных, роторных и иных систем генерации тепла (см. например, патенты РФ: 2045715, 2131094, 2159901, 2230933, 2188366, 2192587, 2244223, 2116583, 2054604, 2234355, 20966595, 2235950, 2231003, 2212597, 2142604, 2201562, 2258875, 2165054, 2375648, 2269727, 2201561, 2132517, 2362947, 2223452, 2 303 861, 2177591, 1329629, 61852,73457, 75459,17299, 101157, US 5188090, ЕР 0176612А и др.). Обзор источников научно-технической информации свидетельствует о продолжающихся исследованиях и разработках в области нагрева теплоносителей (см., например, Иокова И.Л. Исследование возможности применения вихревого теплогенератора в системах теплоснабжения жилых, промышленных и общественных зданий / И.Л. Иокова, Е.Н. Тарасевич // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энергетических объединений СНГ. 2018. Т. 61, №2. С. 159-166, а также электронные ресурсы: https://www.ecoteplo.ru и https://lenr.su/indukcionnyj-nagrevatel-s-postoyannymi-magnitami).
Использование автономного или децентрализованного теплоснабжения позволяет лучше адаптировать систему отопления зданий к конкретным условиям потребления теплоты, а отсутствие внешних распределительных сетей в этом случае практически исключает непроизводственные потери теплоты при транспорте теплоносителя. При автономном теплоснабжении возможно достичь снижения капитальных вложений и осуществлять реконструкцию объектов в городских районах при отсутствии свободных мощностей в централизованных системах. Децентрализованное теплоснабжение является дополнением к созданию комфортных условий для населения и небольших производственных объектов. Оно занимает свою нишу, имеет своего заказчика и потребителя и, при соответствующих условиях, конкурентоспособно централизованному. В этой области разработан и применяется достаточно широкий перечень современного надежного оборудования, с высокой степенью автоматизации и экологическими параметрами, позволяющего обеспечить защиту окружающей среды от вредных выбросов. В частности, известны технические решения, связанные с использованием вихревых теплогенераторов, в основе действия которых лежит принцип кавитации в турбулентном потоке воды. Это достаточно новые источники теплоснабжения, которые нашли применение в России, на Украине, в Беларуси. Казахстане, Узбекистане, Южной Корее, Китае, США и Канаде (см. указанную ссылку - И.Л. Иокова).
Известен гидромеханический тепловой генератор, содержащий цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, установленный по оси корпуса и посаженный на подшипники вал, с жестко закрепленными на нем рабочими дисками с обеспечением кольцевого зазора между наружной поверхностью обода, каждого из рабочих дисков, и внутренней стенкой цилиндрического корпуса, и присоединенный к валу двигатель (см. патент РФ №2269727, опублик. 10.02.2006).
Особенностью известного теплового генератора является то, что дополнительно содержит дисковый узел разгрузки в виде жестко установленного на валу дополнительного диска, по периферии каждого из рабочих дисков выполнены сквозные отверстия в форме сопел Лаваля, а каждый из размещенных на валу рабочих дисков установлен под одинаковым по величине и противоположным по знаку острым углом по отношению к валу. К недостаткам известного теплового генератора 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. 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 в виде сопел Лаваля требует использования достаточно сложных методов обработки металлических дисков, специальной оснастки и инструментов.
Известен кавитационно-роторный теплогенератор, состоящий из корпуса с входом и выходом для нагреваемой жидкости, имеющего 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, опублик. 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.
Известно устройство для получения тепловой энергии, содержащее полый 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, расположенные с равным диаметрально противоположным эксцентриситетом от его оси в соответствии с приведенными соотношениями между геометрическими размерами устройства (см. патент РФ №2375648, опублик. 10.12.2009).
Для указанных в известном устройстве 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. С другой стороны, увеличение значения h3 для величины зазора между боковой поверхностью диска и внутренней боковой поверхностью корпуса до 5 мм и более увеличивает холостые протечки рабочей жидкости и ухудшает условия кавитации жидкости на отверстиях рабочего диска. 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, расположенный по оси корпуса приводной вал, соединенный с двигателем и снабженный, по крайней мере, одним жестко закрепленным на приводном валу рабочим диском, на периферии которого выполнены сквозные отверстия, выступы и углубления (см. патент РФ №101157, опублик. 10.01.2011 - прототип).
Особенностью известной установки является то, что 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. Указанные выступы могут быть выполнены регулярно расположенными в результате токарной обработки или нерегулярно расположенными в результате штамповки; на цилиндрической поверхности рабочих дисков может быть выполнен, по меньшей мере, один кольцевой паз; торцевые части поверхности каждого из рабочих дисков в диаметрально и аксиально противоположных секторах могут быть снабжены плоскими выточками, а на внутренней поверхности цилиндрического корпуса могут быть выполнены пазы, расположенные параллельно его образующей.
К недостаткам известного технического решения следует отнести сравнительно большое время выхода установки на заданный режим гидродинамического нагрева жидкости. Одним из факторов, влияющим на эффективность работы роторного теплогенератора, является отсутствие средств для организованного радиального движения жидкости к отверстиям на периферии рабочего диска, что снижает степень ее кавитации и нагрева в проточной части установки. Вторым фактором можно считать сравнительно низкие значения средней температуры рабочего диска в сравнении с импульсными и средними значениями температуры в кавитирующей жидкофазной структуре в периферийной зоне диска. Кроме того, особенности выполнения проточной части в известном устройстве, в ряде случаев, приводят к наслаиванию солей жесткости на внутренней поверхности цилиндрического корпуса теплогенератора, например, при ненормативном превышении их концентрации в теплоносителе.
Технический результат состоит в устранении недостатков известных технических решений, сокращении времени нагрева жидкости до выхода на заданный температурный режим и повышении эффективности установки в системах отопления и горячего водоснабжения жилых зданий и инженерных сооружений.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке для гидродинамического нагрева жидкости, содержащей цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, расположенный по оси корпуса приводной вал, соединенный с двигателем и снабженный, по крайней мере, одним жестко закрепленным на приводном валу, рабочим диском, на периферии которого выполнены сквозные отверстия, выступы и углубления, согласно полезной модели, на периферии рабочего диска расположены, попарно пересекающиеся между собой под углом, сквозные отверстия большего диаметра и радиальные отверстия меньшего диаметра, по направлению к которым, по крайней мере, с одной стороны рабочего диска выполнены, радиальные щелевидные углубления, причем на немагнитных частях внутренней поверхности цилиндрического корпуса и/или его торцевых фланцев, напротив периферийных частей рабочего диска, размещены магнитные вставки из материала с высокой остаточной намагниченностью для индукционного взаимодействия с проводящим материалом вращающегося рабочего диска.
Кроме того, рабочий диск может быть снабжен, попарно пересекающимися между собой под прямым углом, сквозными отверстиями, преимущественно, диаметром 15-25 мм, радиальными отверстиями - диаметром 4-12 мм и направленными к ним радиальными щелевидными углублениями шириной и глубиной 5-10 мм, напротив которых зеркально расположены аналогичные радиальные щелевидные углубления на внутренней поверхности торцевого фланца, причем количество пар отверстий и щелевидных углублений может находиться в диапазоне 15-35, зазор между цилиндрической поверхностью рабочего диска и внутренней поверхностью корпуса может составлять 0,4-0,8 мм, а рабочие поверхности корпуса, торцевых фланцев, рабочего диска, отверстий и щелевидных углублений могут быть выполнены по 7-10 классу чистоты.
Кроме того, магнитные вставки могут быть выполнены в количестве, пропорциональном числу сквозных отверстий в виде ниобиевых или самарий-кобальтовых магнитов в форме диска, призмы или цилиндра и размещены в углублениях на внутренней поверхности корпуса или между дисками внутри кольцевых проставок из немагнитных материалов, а периферийные части каждого рабочего диска, обращенные к магнитным вставкам, могут быть снабжены дополнительными кольцевыми проставками, преимущественно, с чередующимися выступами, выполненными из материала с повышенной электрической проводимостью.
Такое выполнение полезной модели обеспечивает достижение указанного технического результата в части устранения недостатков известных технических решений и повышении эффективности установки в системах отопления жилых зданий и инженерных сооружений, в том числе, за счет совершенствования кавитирующих элементов проточной части рабочих дисков и использования средств дополнительного нагрева жидкости для сокращения времени выхода установки на заданный температурный режим. Указанный технический результат обеспечивается размещением на периферии рабочего диска источников кавитации, выполненных в виде попарно пересекающихся между собой под углом сквозных и радиальных отверстий, по направлению к которым на диске расположены радиальные щелевидные углубления. Авторами и разработчиками предложенной установки были проведены теоретические и натурные исследования по оптимизации условий для развития кавитационных зон в предложенном роторном теплогенераторе. В результате было выяснено, что характерные диаметры попарно пересекающихся между собой под прямым или близким к нему углом сквозных и радиальных отверстий в рабочем диске, соответственно, находятся в диапазоне 15-25 мм и 4-12 мм, тогда как для радиальных щелевидных углублений на диске диапазон размеров по ширине и глубине составляет 5-10 мм. Для дополнительного повышения кавитирующих характеристик теплогенератора аналогичные радиальные щелевидные углубления зеркально располагают также на внутренней поверхности торцевого фланца. При достигнутом уровне кавитации жидкости, гидравлическое сопротивление проточной части теплогенератора через отверстия минимально в сравнении с ее расходом через зазор между цилиндрической поверхностью рабочего диска и внутренней поверхностью корпуса, который выдерживают в диапазоне 0,4-0,8 мм, при этом рабочие поверхности корпуса, торцевых фланцев, рабочего диска, отверстий и щелевидных углублений выполняют по 7-10 классу чистоты.
Дополнительный нагрев жидкости в кавитирующей зоне роторного теплогенератора обеспечивается за счет размещения неподвижных магнитных вставок с высокой остаточной намагниченностью на внутренней поверхности корпуса, вызывающих индукционный нагрев периферийных частей вращающихся рабочих дисков. Конвекционная теплопередача от дисков к кавитирующей жидкости приводит к повышению ее термодинамической температуры и сокращению времени выхода установки на заданный температурный режим эксплуатации. Изменение теплового состояния электропроводящих дисков, вращающихся относительно неподвижных магнитных вставок, происходит в результате возникновения в электропроводных дисках индуцированных токов Фуко в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. При этом в качестве магнитных вставок целесообразно использование магнитов, например, из самарий-кобальтовых сплавов, имеющих не только значительную магнитную индукцию, но и повышенный уровень рабочих температур до 250-330°С (см., например, А.Р. Лепешкин Новый метод нагрева вращающихся дисков с использованием постоянных магнитов / Вестник двигателестроения №2, 2011 и упомянутый электронный ресурс https://lenr.su/indukcionnyj-nagrevatel-s-postoyannymi-magnitami). Дополнительный тепловой эффект нагрева жидкости прямо зависит от количества магнитных вставок, величины их магнитной индукции, электропроводности периферийных частей диска и расстояния между диском и магнитными вставками.
На фиг. 1 представлена принципиальная блок-схема установки для гидродинамического нагрева теплоносителя в системе обогрева жилых помещений; на фиг. 2 показаны части корпуса и первого рабочего диска теплогенератора, оснащенного упомянутыми магнитными вставками и 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, тепловой аккумулятор 11, гидрораспределитель 12, байпасную линию 13, расширительный бачок 14 и предохранительный воздушный клапан 15. В случае необходимости, основной гидравлический контур 8 на стороне жилого помещения может содержать трубчатый теплообменник и насосную станцию (не показаны). Для заданного функционирования гидравлической системы установки в гидравлический контур 8 включены дистанционно управляемые запорные вентили 16, а в контрольных точках контура 8 установлены датчики давления, температуры, уровня и расхода теплоносителя (не показаны). Цепи питания основного электродвигателя 7, электродвигателя циркуляционного насоса 9, управляющие входы дистанционно управляемых запорных вентилей 16 и выходы упомянутых датчиков соединены с соответствующими выходами и входами блока управления, входящего в состав пульта 17 для автоматического управления работой установки на каждом из предусмотренных режимов ее эксплуатации. Использование байпасной линии 13 позволяет улучшить условия рабочего запуска теплогенератора 1, гидрораспределитель 12 необходим для подключения дополнительных потребителей системы отопления или горячего водоснабжения, а применение теплового аккумулятора 11 обеспечивает работоспособность установки в период отключения электроэнергии.
Гидродинамический теплогенератор 1 (фиг. 1, 2) предложенного устройства для нагрева жидкости включает цилиндрический корпус 2, первый торцевой фланец 18 и первый рабочий диск 19 диаметром, снабженный на периферии сквозными отверстиями 20, оси которых выполнены параллельными оси корпуса 2. Под прямым углом к сквозным отверстиям 20 большего диаметра (20 мм) расположены радиальные отверстия 21 меньшего диаметра (7 мм), по направлению к которым, по крайней мере, с одной стороны рабочего диска 19 выполнены, радиальные щелевидные углубления 22 шириной и глубиной 8 мм (показаны пунктирной линией). Зазор между цилиндрической поверхностью рабочего диска 19 и внутренней поверхностью корпуса 2 составляет 0,5 мм, а рабочие поверхности корпуса 2, торцевых фланцев 18, рабочих дисков 19, отверстий 20, 21 и щелевидных углублений 22 выполнены по 7-8 классу чистоты для снижения гидравлических потерь в теплогенераторе 1. Магнитные вставки 23 выполнены из материала с высокой остаточной намагниченностью, преимущественно, на основе редкоземельных сплавов неодим-железо-бор или самарий-кобальт. Вставки 23 из самарий-кобальтовых магнитов, показанные на фиг. 2, имеют форму призмы с продольной намагниченностью и размещены на внутренней поверхности корпуса 2 в углублениях кольцевой проставки 24 из немагнитного материала (нержавеющая сталь, титан, медь), которая расположена на торце первого фланца 18. На поверхности рабочего диска 19, обращенной к магнитным вставкам 23, размещена вторая кольцевыми проставка 25, выполненная из материала с повышенной электрической проводимостью, например, из меди. На первом торцевом фланце 18 пунктиром показаны радиально расположенные щелевидные углубления 26, расположенные зеркально относительно щелевидных углублений 22 на торце диска 19 для дополнительного повышения кавитационных характеристик теплогенератора 1.
В соответствии с изобретательским замыслом предложенное техническое решение распространяется на устройства и установки для гидродинамического нагрева жидкости, в которых теплогенератор 1 имеет от одного до четырех и более рабочих дисков 19 толщиной 10-30 мм, диаметр которых может варьироваться в широких пределах от 150 до 350 мм и более, при этом должны сохраняться указанные геометрические параметры кавитирующих элементов 20, 21, 22, 26 рабочих дисков 19 теплогенератора 1 и указанное расположение на его корпусе магнитных вставок 23, из современных материалов с высокой остаточной намагниченностью, для эффективного индукционного взаимодействия с проводящим материалом на вращающемся рабочем диске с целью нагрева его и жидкости. В случае соответствующего подбора материалов немагнитного корпуса и токопроводящих дисков магнитные вставки могут располагаться непосредственно на торцевых фланцах и на цилиндрической поверхности внутри корпуса теплогенератора, в том числе, над цилиндрической поверхностью рабочих дисков или между ними.
Материал магнитных вставок, их сечение и конфигурация, а также варианты чередования полюсов магнитных вставок по окружности внутри корпуса теплогенератора должны обеспечивать наиболее эффективное индукционное взаимодействие с проводящим материалом вращающегося рабочего диска. Один из вариантов такого расположения магнитных вставок представлен на фиг. 2. Выбор материала диска, корпуса и упомянутых проставок представляют собой очевидные направления инженерно-конструкторской работы по дальнейшему совершенствованию предложенной установки для гидродинамического нагрева жидкости при условии достижения упомянутого технического результата. В этой связи следует также упомянуть, что принцип индукционного нагрева жидкости с использованием постоянных магнитов известен из уровня техники и представляет интерес в качестве одного из аналогов предложенного устройства (см., например, патент РФ №2303861, опублик. 27.07.2007).
Установка для гидродинамического нагрева жидкости в системе обогрева жилых и производственных помещений функционирует следующим образом.
3
Для обеспечения работы системы обогрева жилых и производственных помещений в состав основного гидравлического контура 8 вводят роторный теплогенератор 1, соединенный с электродвигателем 7 посредством приводного вала 5 и муфты 6. До начала работы установки заполняют химочищенной водой основной гидравлический контур 8, содержащий упомянутые циркуляционный насос 9, батареи 10 водяного отопления, гидрораспределитель 12, байпасную линию 13 и тепловой аккумулятор 11. Затем осуществляют проверку функционирования дистанционно управляемых запорных вентилей 16, датчиков измерения параметров теплоносителя и цепей питания электродвигателя 7, циркуляционного насоса 9, а также электрических цепей и систем пульта 17 автоматического управления работой установки. После включения электрического питания, по командам с пульта 17 управления, подключаются циркуляционный насос 9 и электродвигатель 7, обеспечивающий вращение рабочих дисков 19 теплогенератора 1. При этом циркуляционный насос 9 должен обеспечивать на входе теплогенератора 1 давление воды в диапазоне 4-7 атм. Из насоса 9 вода поступает через входной патрубок 3 в полость корпуса 2 теплогенератора 1 и, через отверстия в рабочих дисках 19, направляется к выходному патрубку 4 теплогенератора 1. Дистанционно управляемые запорные вентили 16 в гидравлическом контуре 8 должны обеспечивать автоматическое или ручное управление и работу гидравлической системы установки в режимах запуска и штатного функционирования теплогенератора 1. Своевременное открытие и закрытие дистанционно управляемых вентилей 16 обеспечивается посредством передачи к ним управляющих сигналов от пульта управления 17 с учетом данных о состоянии теплоносителя в контрольных точках контура 8 от манометрических и температурных датчиков, а также от сигналов от дистанционного тахометра на теплогенераторе 1 (не показан), Количество оборотов привода вала 5 теплогенератора 1, регистрируемое тахометром, соответствует текущему или номинальному значению скорости вращения рабочих дисков 19 до 3000 об/мин. Наличие пульта управления 17 и указанных связей между составными частями установки для гидродинамического нагрева жидкости позволяет функционировать в полностью автоматическом или полуавтоматическом режимах при различных уровнях потребления вырабатываемой тепловой энергии. Циркуляционный насос 9 обеспечивает необходимое давление в системе и прокачку воды через теплогенератор 1, при этом производительность насоса рассчитывается для конкретной системы теплоснабжения объекта. В частности, усредненная производительность циркуляционного насоса 9 в системе теплоснабжения для привода теплогенератора 1 электродвигателем 7 мощностью 55-90 кВт находится в диапазоне 2-5 м/час.
Вращение рабочих дисков 19 приводят жидкость внутри корпуса 2 теплогенератора 1 в состояние вихревого течения, в том числе, благодаря присутствию радиальных щелевидных углублений 22, 26 на поверхности рабочих дисков 19 и торцевых фланцев 18, а также наличию в дисках 19 сквозных отверстий 20 диаметром 20 мм и радиальных отверстий 21 диаметром 7 мм. Вихревое и турбулентное движение жидкости сопровождается интенсивными кавитационными процессами в жидкофазной среде в области периферийных частей вращающихся рабочих дисков 19. Выполнение зазора, между цилиндрической поверхностью рабочих дисков 19 и внутренней поверхностью корпуса 2, составляет 0,5 мм, что снижает холостой проток жидкости в теплогенераторе 1. Экспериментальные данные, полученные при эксплуатации теплогенератора 1 на различных режимах его работы, подтверждают выводы о том, что чистота обработки рабочих поверхностей теплогенератора 1 должна приближаться к 7-8 классу. Это касается обработки поверхностей корпуса 2, фланцев 18, диска 19, отверстий 20, 21 и щелевидных углублений 22. В результате в теплогенераторе 1 наблюдается снижение гидравлических потерь и затрат на образование кавитирующих зон в жидкости, что способствует повышению эффективности работы установки. Благодаря указанной обработке рабочих поверхностей также наблюдается снижение отложений солей жесткости на внутренних поверхностях теплогенератора 1.
Практически весь поток жидкости через теплогенератор 1 вынужден проходить через сквозные отверстия 20 и радиальные отверстиями 21 на периферии рабочих дисков 19, тогда как ее расход через зазор между цилиндрическими поверхностями диска 19 и цилиндрического корпуса 2 может составлять сравнительно малую величину. Благодаря регулярному размещению на периферии рабочих дисков 19 попарно пересекающихся отверстий 20, 21 различного диаметра и наличию на поверхности дисков 19 и фланцев 18 радиальных щелевидных углублений 22, при высоких скоростях течения нагреваемой жидкости, в ней создаются обширные зоны гидродинамической кавитации. Давление на входе в теплогенератор 1 и возникающие центробежные силы от вращения рабочих дисков 19 стремятся протолкнуть воду через отверстия 20, 21 в область за пределы первого и последующих дисков 19. При этом скорость отдельных участков потока на выходе из сквозных и радиальных отверстий 20, 21 резко и с высокой частотой изменяется, возникают сильные пульсации жидкости, сопровождающиеся сериями ударных волн и кавитацией. При схлопывании кавитационных пузырьков температура внутри них повышается до нескольких тысяч градусов по Цельсию. Затем, в результате ряда быстрых периодических сжатий и расширений кавитационных пузырьков, происходит достаточно сильный нагрев парогазовой смеси в них, а затем и примыкающих слоев воды в области рабочего диска. Образующееся вблизи входных и выходных кромок отверстий 20, 21 множество кавитационных пузырьков, в последствии группируются, образуя более обширную кавитационную область (пульсирующую каверну) сложной и изменчивой формы. Так, при средней скорости движения жидкости в корпусе 2 теплогенератора 1 в пределах 6-10 м/с, на острых кромках указанных отверстий можно достичь высокой скорости вихревого течения газожидкостной смеси более 20-50 м/с, достаточной для возникновения кавитационного нагрева жидкости. Аналогичные явления, но в меньшей степени, возникают также в области радиальных щелевидных углублений 22 на цилиндрической поверхности дисков 19 или торцевых фланцев 18, которые обеспечивают дополнительный вклад в подготовку условий для развития указанных кавитационных процессов в жидкости.
2
Основными механизмами генерирования тепла в предложенном устройстве роторного теплогенератора являются вязкостный и кавитационный процессы нагрева жидкости, а дополнительным - механизм индукционного нагрева вращающихся рабочих дисков токами Фуко. Нагрев за счет вязкостного трения пограничных слоев жидкости происходит при их взаимодействии с поверхностью быстро вращающихся рабочих дисков 19. Гидродинамическая кавитация представляет собой эффективное средство концентрации энергии гидравлических волн низкой плотности в высокую плотность энергии, связанную с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков в жидкости. В момент схлопывания кавитационного пузырька, давление и температура газа внутри них достигают значительных величин. Энергия, сообщаемая жидкости при схлопывании кавитационных пузырьков, прямо пропорциональна их количеству. Степень развитости кавитационных процессов определяет индекс кавитации, показывающий отношение объема кавитационного облака к общему объему жидкости в активной рабочей зоне. Таким образом, на процесс образования пузырьков влияют скорость вращения рабочих дисков, разница давлений на входе и выходе теплогенератора и температура жидкости. Для развития кавитационных процессов в жидкости можно увеличить гидростатическое давление, повысить среднюю температуру жидкости или изменить соответствующие формы элементов конструкции, влияющих на понижение давления вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости. При создании предложенного технического решения учитывались все существенные факторы, связанные с гидродинамикой обтекания жидкостью зоны отверстий 20, 21 на периферии рабочих дисков 19 и радиальных щелевидных углублений 22 на торцах дисков 19. Максимальное растяжение тщательно очищенной воды, достигаемое при движении 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).
Дополнительным механизмом генерирования тепла в предложенном роторном теплогенераторе является индукционный нагрев токами Фуко вращающихся рабочих дисков с использованием постоянных магнитов, размещенных на корпусе теплогенератора, при этом нагрев жидкости осуществляется путем теплопередачи от нагретых рабочих дисков. При этом развитие кавитационных процессов в жидкости существенно меняется, поскольку энергия, сообщаемая жидкости при схлопывании кавитационных пузырьков, является также функцией средней термодинамической температуры капельной жидкости. При низких значениях температуры воды на входе в теплогенератор, например, зимой, замедляется темп ее нагрева до выхода на заданный температурный режим тепловой сети, тогда как дополнительный нагрев слоев жидкости в кавитирующих областях теплогенератора смещает график теплоснабжения к границам летнего периода, сокращая общее время нагрева жидкости в системе обогрева жилых и производственных помещений.
Магнитные вставки 23 могут быть выполнены в количестве, пропорциональном или равном числу сквозных отверстий из ниобиевых или самарий-кобальтовых сплавов в форме диска, призмы или цилиндра и размещены в углублениях на внутренней поверхности корпуса, например, как показано на фиг. 2. По другому варианту магнитные вставки 23 могут быть расположены в немагнитном корпусе над цилиндрической частью рабочего диска 19 или между дисками внутри широких или узких проставок из немагнитных материалов, частично перекрывающих периферийную часть дисков 19 (не показаны). При этом периферийные части каждого рабочего диска 19, обращенные к магнитным вставкам 23 со стороны фланца 18, как правило, снабжены дополнительными кольцевыми проставками 25, преимущественно, с чередующимися выступами, выполненными из материала с повышенной электрической проводимостью.
Согласно предложенному техническому решению, для дополнительного тепловыделения в теплогенераторе используются магнитные вставки 23 из самарий-кобальтовых магнитов, размещенных на внутренней поверхности корпуса 2 в немагнитной кольцевой проставке 24, относительно которой вращается токопроводящий рабочий диск 19. При этом на поверхности рабочего диска 19, обращенной к магнитным вставкам 23, как было указано, может быть размещена дополнительная кольцевыми проставка 25, выполненная из материала с повышенной электрической проводимостью, например, из меди, которая испытывает более интенсивный нагрев при вращении диска 19. Токи Фуко наводятся в диске при его вращении в магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. При увеличении частоты вращения увеличивается скорость изменения магнитного потока в диске, и наведенные токи становятся значимыми в диапазоне больших частот вращения (см упомянутые ссылки https:/ lenr.su/indukcionnyj-nagrevatel-s-postoyannymi-magnitami и патент РФ №2303861).
3
Опыты, проведенные авторами и разработчиками на действующем теплогенераторе, показали, что наличие предложенных инициирующих кавитацию элементов в виде попарно пересекающихся между собой сквозных отверстий большего диаметра и радиальных отверстий меньшего диаметра, а также радиальных щелевидных углублений на торцах дисков и фланцев обеспечивают повышение эффективности вязкостного и кавитационного механизмов генерирования тепла в предложенном устройстве. Для оптимальных условий прокачки теплоносителя с расходом 2-4 м/час в гидравлическом контуре, включающим теплогенератор 1 с электродвигателем 7 электрической мощностью 55 кВт, температура теплоносителя в сети поднимается на 10°С и более за один цикл прокачки заданного объема жидкости. Использование в предложенном техническом решении дополнительного индукционного механизма нагрева кавитирующей жидкости позволяет повысить показатели указанного теплогенератора по увеличению температуры теплоносителя в сети за цикл прокачки, по меньшей мере, дополнительно на несколько градусов Цельсия на каждом рабочем диске по сравнению с известными устройствами того же назначения.
3
3
Устанавливаемая мощность электродвигателя привода теплогенератора выбирается исходя из декабрьских пиковых нагрузок. При правильном выборе количества и мощности генераторов тепла в установке для нагрева теплоносителей теплогенераторы работают 8-12 часов в сутки. Для укрупненного расчета энергопотребления теплогенератора за отопительный сезон применяется коэффициент 0,25, при этом необходимо иметь резервное устройство отопления. За один проход вода в теплогенераторе нагревается примерно на 10-20°С. В зависимости от мощности установки нужно обеспечить объем прокачки для НТГ-055 до 3 м/час, для НТГ-075 до 4 м/час и для НТГ-090 до 5,0 м3/час, время нагрева системы отопления зависит от ее объема и теплопотерь в здания, при этом максимальная температура нагрева теплоносителя достигает 95°С. Конструкция теплогенератора рассчитана на работу при оборотах электродвигателя, примерно, около 2960 оборотов в минуту. Регулирование температурного режима осуществляется включением-выключением электродвигателя в автоматическом режиме. Теплогенератор рассчитан на работу в диапазоне давлений от 2 до 7 атм, при этом давление в системе отопления создается за счет циркуляционного насоса, который рассчитывается для конкретной системы теплоснабжения объекта. Автоматическая система управления установкой сертифицирована производителем и имеет гарантийный срок работы. В соответствии с техническими характеристиками электродвигателей, указанных в их паспортах, максимально допустимый уровень мощности звукового излучения электродвигателя 80-90 дБ. Для снижения уровня шума и вибрации необходимо монтировать устройство на вибропоглощающих опорах. В производственных зданиях теплогенерирующий узел обычно размещают в отдельных помещениях или подвалах, в жилых и административных зданиях тепловой пункт может быть расположен автономно. Согласования на монтаж установки не требуется, поскольку электроэнергия потребляется только электродвигателем и до 100 кВт осуществляется без лицензии (ФЗ №28-ФЗ от 03.04.96 г.). Многолетний опыт внедрения и эксплуатации предложенных установок показывает, что сам теплогенератор практически не изнашивается, меньший ресурс имеют электродвигатель, подшипники и торцевые уплотнения. Срок эксплуатации комплектующих установки указывается в их паспортах и гарантируется заводом-производителем. Подготовленные специалисты готовы обучить персонал заказчика для проведения всех профилактических и ремонтных работ. Для потребителя рекомендуется приобретать не менее двух установок, из которых одна должна перекрывать 60-70% расчетной тепловой нагрузки. При первоначальном прогреве и пиковых нагрузках будут работать все установки, в осенне-весенний сезон будет работать только часть установок. Это дополнительно повысит энергобезопасность объекта в период резких зимних перепадов температур.
Таким образом, совокупность существенных признаков предложенного технического решения обеспечивает достижение указанного технического результата по сокращению времени нагрева жидкости до выхода на заданный температурный режим и повышении эффективности установки в системах отопления жилых зданий и инженерных сооружений. В итоге, предложенная установка для гидродинамического нагрева жидкости обеспечивает сравнительно более высокие значения теплового эффекта в системах отопления и горячего водоснабжения жилых зданий и производственных помещений при сохранении высокой эксплуатационной надежности, технологичности и простоты конструкции гидродинамического теплогенератора и установки в целом.
При этом изготовление корпуса и рабочих дисков гидродинамического теплогенератора установки доступно для малых предприятий и ремонтных мастерских при отсутствии в их арсенале специальной оснастки и дорогостоящих инструментов. Полученные результаты были использованы заявителем при проведении проектно-конструкторских работ в ходе создания серии промышленных установок НТГ-055, НТГ-075 и НТГ-090 для гидродинамического нагрева жидкости в системах отопления и горячего водоснабжения жилых зданий и производственных помещений (подробная информация об опыте использования серии предложенных установок изложена на наших сайтах www.ecoteplo.ru и www.ecoteplo.ru/about/).
Приведем некоторые общие характеристики и преимущества разработанных и функционирующих установок для гидродинамического нагрева жидкости в системах отопления жилых зданий и производственных помещений:
- отсутствует потребность в использовании органического топлива;
- нет необходимости в прокладке дорогостоящих тепловых сетей;
- отсутствуют необходимость согласования с организациями котло- и энергонадзора;
- имеется высокий уровень экологической и технологической безопасности;
- надежная автоматическая система управления;
- автономность и универсальность применения также для небольших потребителей;
- предельная простота монтажа и технического обслуживания:
- широкий спектр применения установок, в том числе, для горячего водоснабжения.