Многоступенчатый кавитационный теплогенератор (варианты)
MULTISTAGE CAVITATION HEAT GENERATOR (EMBODIMENTS)

Изобретение относится к теплоэнергетике для нагрева жидкости в системах отопления, горячего водоснабжения и может быть использовано в различных областях, где требуется активация, деструкция, изменение физико-химических свойств жидких систем.
В настоящее время в качестве теплогенераторов широко применяются тепловые насосы, которые по сравнению с "вихревыми трубами" обеспечивают более эффективную механоактивацию жидкости.
Известен патент РФ №2235950 С2, МПК 7F24J 3/00 от 10.09.2004 на кавитационно-вихревой теплогенератор, содержащий корпус, имеющий патрубки для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой жидкости, расположенные внутри корпуса перфорированные статор и ротор, нагнетательный насос, привод ротора, причем ротор и статор выполнены в виде дисков с перфорированными сквозными отверстиями, при этом статор выполнен в виде одного или нескольких кольцевых дисков, а ротор выполнен в виде двух дисков, установленных с зазором относительно друг друга, при этом диски роторов установлены на независимых валах, имеющих самостоятельные независимые приводы и вращаются навстречу друг другу. Недостатком данной конструкции является недостаточная скорость нагревания жидкости, а конструкция устройства обладает большой технической сложностью при изготовлении, эксплуатации и ремонте.
Известен патент РФ №2269075 С1, 27.01.2006 на кавитационно-вихревой теплогенератор, состоящий из корпуса с подводящими и отводящими патрубками, в котором установлены статор, состоящий из двух кольцевых перфорированных сквозными отверстиями дисков и два ротора, установленные между дисками статора с зазором относительно друг друга, смонтированные на независимых валах, имеющих самостоятельные, независимые приводы и вращающиеся в противоположные стороны, каждый из которых выполнен в виде ступенчатого диска с утолщенной центральной частью и утолщенной периферийной частью. На внешней плоскости и центральной части диска ротора смонтированы радиально направленные лопасти, закрытые кольцевой пластиной, образуя вихревой насос.
Известен также патент РФ №2308648 С1, 20.10.2007 на теплогенератор роторного типа, содержащий корпус с входным и выходным патрубками для нагреваемой жидкости. Внутри корпуса расположены статор в форме перфорированной гильзы и ротор, состоящий из двух соосно расположенных перфорированных дисков, смонтированных на независимых валах и с приводами, вращающимися в противоположные стороны.
К недостаткам вышеуказанных технических решений относятся недостаточная эффективность нагрева жидкости, технологически сложное изготовление элементов и малая ремонтопригодность теплогенераторов.
Известен патент РФ 2362947 С2, МПК 7 F24J 3/00 (опубл. 27.07.2009) на теплогенератор кавитационный, содержащий рабочий орган, состоящий из корпуса, крышек, рабочих дисков теплогенератора, первой и второй крыльчаток, разделительных стенок, двух обратных клапанов, третьего термоклапана, расширительного блока для формирования паровоздушной смеси и реактивной турбины, причем диски теплогенератора выполнены с выемками в виде шаровых сегментов и нанесенными на торцы дисков направляющими каналами, образующими по три вихревых спиральных канала с каждой стороны диска, также на цилиндрической поверхности дисков под углом 15 градусов к их образующей нанесены направляющие каналы для направления пароводяной смеси вдоль оси теплогенератора в сторону крыльчатки.
Недостатком данной конструкции является то, что при работе теплогенератора возникает фазовый переход в парообразное состояние, выделение энергии перемещается в оптический и низкочастотный диапазон, который совместно с кавитацией приводит к быстрому разрушению рабочих органов.
Известен патент РФ №2534198, МПК F24J (опубл. 24.11.2014) на способ и устройство для получения тепловой энергии, включающий подачу потока жидкости под давлением насосом в вихревую трубу с последующим его направлением в замкнутую емкость с жидкостью. Перед входом в вихревую трубу поток жидкости направляют через прорези, которые располагают под углом к центральной оси вихревой трубы по ее периметру, тангенциально закручивают посредством прорезей и подвергают ультразвуковому облучению в условиях резонанса. Данное изобретение обладает свойством возникновения резонансных колебаний, которые вызывают эффект гидравлического удара и ударных волн. Совместно с процессами кавитации этот эффект приводит к быстрому старению, износу элементов и устройств теплогенератора. Кроме того, ультразвуковые генераторы имеют ограниченный диапазон по мощности и отсутствуют системы защиты режимов работы.
Известен патент РФ №2527545 С1, МПК F24J 3/00 от 10.09.2014 на многофункциональный вихревой теплогенератор (варианты), содержащий по первому варианту закрытый корпус с патрубками для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой жидкости, установленные внутри корпуса роторы, выполненные в виде двух дисков, закрепленных на независимых валах, имеющих независимые приводы и имеющие возможность вращаться навстречу друг другу, всасывающие турбины, которые жестко закреплены на независимых валах вместе с дисками роторов, а в дисках роторов напротив установленных турбин по окружности выполнены коническо-цилиндрические отверстия, направленные в полость между дисками, выше по радиусу которых радиально по окружности жестко установлены ряды пальцев, при этом пальцы выполнены так, что ряды пальцев одного диска свободно с зазором входят между рядами пальцев второго диска, а коническо-цилиндрические отверстия одного диска расположены напротив коническо-цилиндрических отверстий другого диска и каждый диск с каждой турбиной снабжен отдельным патрубком, являющимся патрубком для подвода нагреваемой жидкости.
Технической проблемой является то, что конструкция теплогенератора не обеспечивает высокую теплопроизводительность при однократной прокачке теплоносителя через теплогенератор.
Первый вариант многофункционального вихревого теплогенератора выбран в качестве прототипа для обоих предлагаемых вариантов.
Решаемой технической задачей (техническим результатом) заявляемого изобретения для обоих вариантов является создание устройства, обеспечивающего при однократной прокачке более высокую теплопроизводительность, скорость нагрева жидкости, увеличение поверхности трения между слоями жидкости, времени нахождения в кавитационно-вихревых потоках массы жидкости (вода, растворы, смеси) в течение определенного времени. Кроме того, по второму варианту предусмотрено вместо однородной жидкости использование газожидкостной смеси, что позволяет резко повысить эффективность работы теплогенератора и расширить область применения.
На фиг. 1 показан схематично многофункциональный кавитационный теплогенератор (MKT) по первому варианту.
На фиг. 2 показан схематично MKT по второму варианту.
На фиг. 3 показан разрез MKT направляющего аппарата по А-А.
Решаемая техническая задача в многоступенчатом кавитационном теплогенераторе, по его первому варианту, содержащем закрытый корпус с патрубками для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой жидкости, установленные внутри корпуса роторы, выполненные в виде двух дисков, закрепленных на независимых валах, имеющих независимые приводы и имеющие возможность вращаться навстречу друг другу, а также содержащем всасывающие турбины, которые жестко закреплены на независимых валах вместе с дисками роторов, а в дисках роторов, напротив установленных турбин по окружности выполнены сквозные коническо-цилиндрические отверстия, направленные в полость между дисками, выше по радиусу которых радиально по окружности жестко установлены ряды пальцев, которые свободно с зазором входят между рядами пальцев обоих дисков, достигается тем, что перед первыми всасывающими турбинами с обеих сторон введены гидродинамические кавитационные смесители, которые жестко закреплены к корпусу теплогенератора, а перед гидродинамическими кавитационными смесителями установлены и жестко закреплены на независимых валах, на которых закреплены диски роторов, вторые всасывающие турбины, причем в цилиндрической части каждого гидродинамического кавитационного смесителя - рабочей камере введены патрубки с регулирующими кранами под углом не более 45 градусов относительно центральной оси приводного вала к встречному потоку для подвода возмущающего потока жидкости от первых всасывающих турбин, закрепленных на дисках роторов, и каждая вторая всасывающая турбина, установленная перед гидродинамическим кавитационным смесителем, снабжена отдельным патрубком, являющимся патрубком для подвода нагреваемой жидкости.
Решаемая техническая задача в многоступенчатом кавитационном теплогенераторе по его второму варианту, содержащем закрытый корпус с патрубками для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой жидкости, установленные внутри корпуса роторы, выполненные в виде двух дисков, закрепленных на независимых валах, имеющие независимые приводы и имеющие возможность вращаться навстречу друг другу, а также содержащем первые всасывающие турбины, которые жестко закреплены на независимых валах вместе с дисками, а в дисках роторов, напротив установленных турбин по окружности выполнены сквозные коническо-цилиндрические отверстия, направленные в полость между дисками, выше по радиусу которых радиально по окружности жестко установлены ряды пальцев, которые свободно с зазором входят между рядами пальцев обоих дисков, достигается тем, что в дисках роторов напротив установленных первых всасывающих турбин по окружности выполнены не менее двух кольцевых рядов коническо-цилиндрических отверстий, а перед всасывающими турбинами, закрепленными на дисках роторов, с обеих сторон последовательно введены не менее двух гидродинамических кавитационных смесителей, которые жестко закреплены к корпусу теплогенератора, а перед гидродинамическими кавитационными смесителями установлены и жестко закреплены на независимых валах вторые всасывающие турбины, причем в цилиндрической части каждого кавитационного смесителя-рабочей камере введены патрубки с регулирующими кранами под углом не более 45 градусов относительно центральной оси приводного вала к встречному потоку для подвода возмущающего потока жидкости от всасывающих турбин, установленных после гидродинамических кавитационных смесителей и патрубки с регулирующими клапанами под углом не более 45 градусов относительно центральной оси приводного вала по ходу движения основного потока жидкости для подсоса воздуха в основной поток жидкости.
Многоступенчатый кавитационный теплогенератор по первому варианту (фиг. 1) содержит закрытый корпус 1 с патрубками для подвода нагреваемой жидкости 2 и отвода нагретой жидкости 3, установленный внутри корпуса 1 блок вращающихся элементов 4, выполненный в виде двух дисков 5 и четырех всасывающих турбин 6, 7, закрепленных на независимых валах 8, имеющих независимые приводы, причем валы вращаются навстречу друг другу и два гидродинамических кавитационных смесителя 11. В дисках 5 напротив установленных турбин 6 по окружности выполнены сквозные коническо-цилиндрические отверстия 9, направленные в полость между дисками 5, выше по радиусу которых радиально по окружности жестко установлены ряды пальцев 10, которые свободно с зазором входят между рядами пальцев обоих дисков 5, а перед всасывающими турбинами 6, закрепленными на дисках роторов 5, с обеих сторон введены гидродинамические кавитационные смесители 11, вместе с направляющими аппаратами 12 жестко закреплены к корпусу теплогенератора 1, а перед гидродинамическими кавитационными смесителями установлены и жестко закреплены на независимых валах всасывающие турбины 7, причем в цилиндрической части - рабочих камерах кавитационных смесителей введены патрубки 13 под углом не более 45 градусов относительно центральной оси приводного вала 8 к встречному основному потоку жидкости для подвода возмущающего потока жидкости от всасывающих турбин 6, закрепленных на дисках 5. Введение патрубков 13 под большим углом чем 45 градусов относительно центральной оси приводных валов 8 к встречному потоку жидкости снижает эффективность возмущающего потока в кавитационной зоне. Теплогенератор представляет собой легкоразбираемую конструкцию, состоящую из дисков 5 с пальцами 10, турбин 6, 7 и валов 8, которые перед сборкой теплогенератора проходят статическую и динамическую балансировку. Балансировка позволяет уменьшить шум при работе и увеличить ресурс работы теплогенератора. Все элементы теплогенератора, кроме направляющих аппаратов 12, изготовляются из стойкой к коррозии нержавеющей стали ГОСТ 5632-72 1 группа. Направляющие аппараты 12 изготовляются из термостойкого пластика. На чертеже (фиг. 1) не показано: электродвигатели приводов, сальниковые уплотнения, рама теплогенератора, сборник воды и арматура системы отопления.
На фиг. 3 представлен разрез по А-А направляющего аппарата 12 и турбин 7.
Многоступенчатый кавитационный теплогенератор по второму варианту (фиг. 2) содержит: закрытый корпус 1 с патрубками для подвода нагреваемой жидкости 2 и отвода нагретой жидкости 3, установленный внутри корпуса 1; блок вращающихся элементов 4, выполненный в виде двух дисков 5 и шести всасывающих турбин 6, 7, 14, закрепленных на независимых валах 8, имеющих независимые приводы, причем валы 8 вращаются навстречу друг другу и четыре гидродинамических кавитационных смесителя 11. В дисках 5 напротив установленных турбин 6 по окружности выполнены не менее двух кольцевых рядов коническо-цилиндрических отверстий 9, направленных в полость между дисками 5, выше по радиусу которых радиально по окружности жестко установлены ряды пальцев 10, которые свободно с зазором входят между рядами пальцев обоих дисков, а перед всасывающими турбинами 6 с обеих сторон введены по два гидродинамических кавитационных смесителя 11, которые вместе с направляющими аппаратами 12 жестко закреплены к корпусу теплогенератора 1, а перед гидродинамическими кавитационными смесителями 11 установлены и жестко закреплены на независимых валах всасывающие турбины 7, 14, причем в цилиндрической части - рабочих камерах гидродинамических смесителей введены патрубки 13 с регулирующими кранами под углом не более 45 градусов относительно оси приводного вала 8 к встречному потоку для подвода возмущающего потока жидкости от всасывающих турбин 6, 7, установленных после гидродинамических кавитационных смесителей 11, и патрубки 15 с регулирующими клапанами для подсоса воздуха под углом не более 45 градусов относительно центральной оси приводного вала 8 по ходу движения основного потока жидкости для подсоса воздуха. Теплогенератор представляет собой две легко разбираемые конструкции, состоящие из дисков 5 с пальцами 10, турбин 6, 7, 14 и валов 8, которые перед сборкой теплогенератора проходят статическую и динамическую балансировку. Балансировка позволяет уменьшить шум при работе теплогенератора и увеличить ресурс его работы. Все элементы теплогенератора, кроме направляющих аппаратов 12, изготовляются из стойкой нержавеющей стали ГОСТ 5632-72 1 группа. Направляющие аппараты 12 изготовляются из термостойкого пластика. На чертеже (фиг. 2) не показано: электродвигатели приводов, сальниковые уплотнения, рама теплогенератора, сборник воды и арматура системы отопления. Введение патрубков 13, 15 под большем углом чем 45 градусов относительно центральной оси приводных валов 8 снижает эффективность возмущающих потоков, идущих через патрубки 13, и уменьшает подсос воздуха через патрубки 15.
Рассмотрим работу многоступенчатого кавитационного теплогенератора по его первому варианту (фиг. 1). Теплогенератор работает следующим образом. После заполнения расходного сборника системы отопления и закрытого корпуса 1 теплогенератора (Фиг. 1) через входные патрубки 2 рабочей жидкостью (водой) включаются электродвигатели приводов 8, приводящие в движение диски 5 четырех всасывающих турбин 6, 7, закрепленных на независимых валах 8. Пройдя через всасывающие турбины 7, с двух сторон потоки жидкости за счет центробежных сил устремляются через направляющие аппараты 12 турбин 7 в гидродинамические кавитационные смесители 11, а затем в всасывающие турбины 6, закрепленные на дисках 5. Одновременно из направляющих аппаратов 12 всасывающих турбин 6 часть жидкости по гибким трубопроводам через патрубки 13 направляется в виде мощных противотоков навстречу основному потоку жидкости в гидродинамических кавитационных смесителях 11, которые усиливают создание кавитационного эффекта в смесителях 11. Основная часть жидкости из всасывающих турбин 6 через коническо-цилиндрические отверстия 9 дисков 5 в виде множества мощных струй направляются навстречу друг другу, а затем после столкновения этих потоков отбрасываются за счет центробежной силы в перпендикулярном направлении между вращающимися в противоположных направлениях дисками 5 с пальцами 10. Пройдя обработку между рядами пальцев 10 дисков 5, жидкость за счет центробежной силы отбрасывается на стенку корпуса 1, а затем поступает через патрубок 3 в расходный сборник системы отопления. Благодаря введению в конструкцию теплогенератора дополнительных всасывающих турбин 7 с направляющими аппаратами 12 и гидродинамических кавитационных смесителей 11 с патрубками 13 для создания противотока удалось обеспечить при однократной прокачке по сравнению с прототипом более высокую теплопроизводительность за счет увеличения поверхности трения между слоями жидкости и времени нахождения их в кавитационно-вихревых потоках. Регулирование температурного режима в теплогенераторе осуществляется включением и выключением электродвигателей приводов по сигналу с датчика температуры расходного сборника системы отопления. При достижении максимальной температуры электродвигатели приводов выключаются, при охлаждении теплоносителя до минимальной заданной температуры - включаются. По сравнению с прототипом предлагаемый вариант конструкции теплогенератора, имеющего три ступени кавитации (2 ступени - гидродинамические кавитационные смесители 11 и 3 ступень - 2 диска 5 с пальцами 10) позволяет повысить теплопроизводительность и расширить область применения, где требуется безреагентная очистка воды, активация, деструкция и смешение жидких компонентов.
Рассмотрим работу многоступенчатого кавитационного теплогенератора по его второму варианту (Фиг. 2). Теплогенератор работает аналогичным образом, как и теплогенератор по первому варианту (Фиг. 1), но со следующим принципиальным отличием. Принципиальное отличие заключается в том, что количество ступеней кавитации увеличено до пяти и в каждый гидродинамический кавитационный смеситель 11 дополнительно в цилиндрической части - рабочей камере введен патрубок 15 с регулирующим клапаном для подсоса воздуха под углом не более 45 градусов относительно центральной оси приводного вала 8 по ходу движения основного потока жидкости для подсоса воздуха. Кроме того, в дисках 5 напротив установленных турбин 6 по окружности выполнено не менее двух кольцевых рядов коническо-цилиндрических отверстий 9, направленных в полость между дисками 5. Во внутренней полости рабочей камеры гидродинамического смесителя создается давление ниже атмосферного, что позволяет вводить в поток газ (воздух), а затем в диффузоре поток резко расширяется, причем гидростатическое давление в цилиндрической части становится ниже давления насыщенных паров. Происходит разрыв жидкости и образование кавитационных полостей (каверн), заполненных выделившимися из жидкости в процессе расширения газами или парами, которые перемещаются вместе с потоком. В расширяющейся части смесителя (диффузоре) пузырьки попадают в область повышенного давления и схлопываются, выделяя значительное количество тепла. Схлопывание пузырьков в кавитационной зоне турбулизует течение за счет гидравлических ударов и образующихся при этом микроструй. Применение предлагаемого устройства в составе теплогенератора позволяет резко увеличить его теплопроизводительность. Предлагаемая конструкция теплогенератора по второму варианту позволяет при однократной прокачке увеличить поверхности трения между слоями жидкости, удерживать в генераторе массу жидкости в течение заданного времени, получить необходимую температуру и обеспечить необходимую пропускную способность. Введение патрубков 15 с регулирующими клапанами для подсоса воздуха в основной поток жидкости создает неоднородную газо-жидкостную смесь и позволяет усилить кавитацию и резко повысить теплопроизводительность теплогенератора.
По сравнению с прототипом предлагаемые варианты многоступенчатого кавитационного теплогенератора за счет совершенствования конструкции, увеличения количества ступеней кавитации обеспечивают более высокую теплопроизводительность, скорость нагрева жидкости, не требуют специального обслуживания и имеют широкий спектр применения в различных отраслях.