УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к теплогенераторам кавитационного типа для разогрева жидкостей в гидросистемах различного назначения, а также может быть использована в качестве смесителей различных жидкостей, диспергирования, разрушения молекулярных связей в сложных жидкостях, изменения физико-механических свойств жидкостей
Известен теплогенератор (патент RU №2045715, кл. F25B 29/00), выполненный в виде цилиндрической камеры, закрутка потока в которой осуществляется ускорителем жидкости, обеспечивающим тангенциальный подвод подаваемой центробежным насосом жидкости в эту камеру со стороны ее торцевого входа. На выходе с другого торца вихревой камеры установлена камера торможения потока.
Недостатком этого технического решения является то, что в предложенной конструктивной схеме положительную функцию выполняет только генератор и не используются дополнительные возможности насоса по созданию звуковых колебаний для образования кавитации.
Известно устройство для нагрева жидкости (патент RU №2247906, кл. F25B 29/00, прототип), содержащее по меньшей мере одну цилиндрическую вихревую камеру, на выходе из которой установлена камера торможения, гидравлически сообщенная с выходным каналом теплогенератора, ускоритель жидкости, выполненный в виде приводного лопастного насоса с полуоткрытым или открытым рабочим колесом и корпусными стенками, снабженными вихреобразующими канавками.
В этой конструктивной схеме теплогенератор размещен внутри приводного насоса в виде периодичных функциональных элементов вокруг рабочего колеса, что позволило сократить габаритные размеры всей установки до размеров насоса, однако, сам активный элемент этого насоса, рабочее колесо, не участвует в создании звукового поля.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности работы насоса-теплогенератора, а также снижение энергопотребления привода насоса.
Поставленная задача решается следующим образом. В известном устройстве для нагрева жидкостей, содержащем по меньшей мере одну цилиндрическую вихревую камеру, на выходе из которой установлена камера торможения, гидравлически сообщенная с выходным каналом теплогенератора, ускоритель жидкости, выполненный в виде приводного лопастного насоса с полуоткрытым или открытым рабочим колесом и корпусными стенками, снабженными вихреобразующими канавками, рабочее колесо выполнено в виде диска с лопастями шарнирно закрепленного через упругий элемент на ступице, а очертание начальной по ходу вращения рабочего колеса границы вихреобразующей канавки совпадает с профилем тыльной стороны лопасти, причем контур вихреобразующей канавки в поперечном сечении на входе выполнен с большой крутизной, а на выходе с пологим уклоном, при этом торцовые окончания лопастей рабочего колеса могут быть выполнены эластичными, а сами лопасти рабочего колеса могут быть установлены с шагом отличным от шага расположения канавок, в том числе переменным.
Выполнение рабочего колеса в виде диска с лопастями, шарнирно закрепленного через упругий элемент на ступице позволяет использовать его, как преобразовательно-излучающую систему. При ударном воздействии на такое колесо оно начинает колебаться с собственной частотой колебаний (ν=1÷10 кГц) и излучать их в проходящий поток жидкости. Последовательные удары по венцу обеспечивают непрерывность процесса облучения жидкости звуковым полем, и кроме того, оно происходит от всей поверхности венца и воздействует на весь проходящий поток. При этом, во время прохождения отрицательного полупериода звуковой волны через каждую точку-зародыш (Фиг. 1), содержащейся в жидкости, вокруг него давление уменьшается до давления насыщенных паров и жидкость рвется с образованием парогазовой каверны. Последующее нарастание давления положительного полупериода приводит к схлопыванию такой каверны и получению в точке схлопывания очень высокой плотности энергии, которая и является источником тепла, а так же аномальным микрообъемом, в котором могут протекать различные технологические процессы (дегазация, диспергация, коагуляция, дезинфекция, и т.д.).
Ударное воздействие на рабочее колесо производится за счет выполнения очертания начальной по ходу вращения рабочего колеса границы вихреобразующей канавки в виде линии, совпадающей с профилем тыльной стороны лопасти, а также профилирование контура вихреобразующей канавки в поперечном сечении на входе с большой крутизной, а на выходе с пологим уклоном обеспечивает гидроударное импульсное воздействие жидкости на лопасть с ее тыльной стороны и передаче этого воздействия на диск рабочего колеса с последующим его колебательным процессом. Это происходит за счет того, что пока в насосе лопасть движется при вращении с диском вдоль ровной корпусной стенки с минимальным торцевым зазором, за ней создается разрежение, вплоть до образования кавитационной парогазовой макрополости (Фиг. 2).
В момент прохождения лопастью канавки в области ее торца внезапно по всей длине образуется канал для перетока части жидкости с рабочей стороны на тыльную, что влечет за собой резкое нарастание давления и схлопывание кавитационной полости с передачей на тыльную сторону лопасти импульса силы и ее наклон по ходу вращения (Фиг. 3). Пологий уклон на выходе при этом позволяет относительно плавно стабилизировать структуру потоков для входа в следующую канавку.
Выполнение торцовых окончаний каждой лопасти эластичными позволяет, путем вовлечения в рабочий процесс дополнительного источника энергии перетекающего через зазор потока, увеличить размеры парогазовой макрополости на тыльной стороне лопасти и, следовательно, повысить степень гидроимпульсного воздействия. В этом случае эластичное торцовое окончание поверхности лопасти повторяет плавную конфигурацию линий тока объемных утечек через торцовый зазор, сводя к минимуму гидравлические потери и увеличивая значение скоростной составляющей потока. Это обстоятельство перераспределяет параметры потока при незначительном расходе на уменьшение давления за лопастью с образованием дополнительного объема кавитационной макрополости.
То есть, схлопывание кавитационных макрополостей в момент прохождения лопастью канавки производит по ней удар, с передачей импульса силы всему колесу. Каждый такой удар вызывает вибрацию поверхности колеса, а вибрация образует по всему протекающему через него объему жидкости микрокаверны, схлопывание которых обуславливает выработку тепла и которые являются очагами протекания технологических процессов.
Вихревая камера, при этом, может быть выполнена и, как у прототипа (патент RU №2247906, кл. F25B 29/00), в совмещенном с насосом виде (Фиг. 4а), или в виде отдельного элемента (Фиг. 4б), как у аналога (патент RU №2045715, кл. F25B 29/00).
Полученная динамическая система управляема:
- для получения узкого диапазона частот и калиброванных амплитуд колебаний каждая из лопастей может быть закреплена на диске через упругую связь. В этом случае диск рабочего колеса исключается из колебательного процесса, а каждая лопасть будет участвовать в самой простой форме колебаний - относительно упругой заделки;
- для увеличения площади излучающей поверхности - лопасти устанавливаются на диске рабочего колеса жестко, а сам диск сопоставим по толщине и упругости с лопастями, при этом:
- для получения больших амплитуд при меньших частотах канавки располагаются с равномерным шагом, равным шагу лопастей;
- для получения больших частот при меньших амплитудах шаги этих подвижных и неподвижных элементов не совпадают;
- для получения большего многообразия частот шаги подвижных и неподвижных элементов могут быть переменными;
- для каждой жесткости венца можно инициировать первую, вторую и последующие собственные частоты.
Набор указанных возможностей по регулировке частоты рабочего процесса наряду с возможностью изменения скорости вращения рабочего колеса позволяет производить глубокое изменение акустических характеристик при работе устройства.
Другой важной особенностью этого процесса является то, что каждый такой гидроударный импульс на лопасть направлен в сторону ее вращения и, тем самым ускоряет ее движение, снижая момент на вращение всего рабочего колеса, а значит и потребляемую насосом мощность.
Предлагаемое изобретение пояснено чертежами:
Фиг. 1. Механизм процесса акустической кавитации;
Фиг. 2. Визуализация макрополости на тыльной стороне лопасти полуоткрытого рабочего колеса (фото рабочего процесса через оптически прозрачную переднюю крышку);
Фиг. 3. Демонстрация проявления ударного кавитационного импульса на лопастях, выполненных из пластичного материала.
Фиг. 4. Варианты структурной схемы устройства для нагрева жидкостей по размещению вихревой камеры;;
Фиг. 5. Разрез лопастного насоса;
Фиг. 6. Стадии образования гидродинамического импульса от схлопывания кавитационной полости;
Фиг. 7. Характер упругой волны венца рабочего колеса лопастного насоса;
Фиг. 8. Увеличение кавитационной полости за счет формирования перетока через торцовый зазор.
Устройство для нагрева жидкостей содержит по крайней мере одну вихревую камеру 1, которая может быть выполнена либо совмещенной с периферийной частью приводного лопастного насоса 2 (Фиг. 4а), либо в виде отдельного элемента (Фиг. 4б), соединенных трубопроводом 3, имеющим входной 4 и выходной 5 патрубки для подключения обслуживаемого устройства (на фиг. не показан). Приводной лопастной насос 2 состоит из корпуса 6, в котором размещен вал 7 с уплотнением 8 и полуоткрытое, или открытое рабочее колесо с одно или с двухсторонним входом.
При исполнении рабочего колеса открытым с двухсторонним входом (Фиг. 5), лопасти 9 и 10 установлены по обе стороны на его диске 11 с минимальными торцовыми зазорами 12 по отношению к корпусу 6, а на внутренних стенках корпуса имеются канавки 13, причем очертание начальной по ходу вращения рабочего колеса границы вихреобразующей канавки совпадает с профилем тыльной стороны лопастей 9 и 10 на соответствующих стенках корпуса 6. Контур вихреобразующей канавки 13 в поперечном сечении на входе выполнен с большой крутизной (Фиг. 6), а на выходе с пологим уклоном.
Само рабочее колесо выполнено в виде диска 11, шарнирно соединенного со спицами 14 через упругий элемент 15 и далее через ступицу 16 с валом 7. Выходное отверстие 17 корпуса 6 соединено с входным соплом вихревой камеры 1, а вход приводного лопастного насоса 2 с трубопроводом 3. Лопасти 9 и 10 могут быть закреплены на диске 11 или через упругую связь, или быть установлеными на нем жестко (Фиг. 7), причем, они могут иметь вблизи внутренних поверхностей корпуса 6 эластичное торцовое окончание 18 (Фиг. 8).
Шаг установки лопастей 9 и 10 может совпадать с шагом расположения соответствующих канавок 13, в особых конструктивных вариантах может не совпадать, а также быть переменным.
Цилиндрическая вихревая камера соединена с камерой торможения, которая при совмещенной конструкции с приводным лопастным насосом 6 выполняется в виде его отливного канала 19, а в раздельном варианте в виде цилиндрической камеры 20. Далее камера торможения или 19, или 20 сообщается с выходным каналом.
Работает устройство для нагрева жидкостей следующим образом. При вращении от механического привода (электродвигатель или ЛВС) вала 7, загерметизированного уплотнением 8, движение передается на ступицу 16 и далее через спицы 14 и упругий элемент 15 на венец, состоящий из кольца 11 и лопастей 9 и 10. (Фиг. 2). Лопасти 9 и 10 воздействуют на жидкость, разгоняя ее в окружное движение. За счет центробежного ускорения от вращения жидкость устремляется на большие радиусы, в результате чего, во-первых, она покидает пространство венца рабочего колеса и уходит через нагнетательный патрубок 17 во входное отверстие вихревой камеры 1. Во-вторых, за счет того, что в центральной части 16 насоса 2 из-за ушедшего объема образовалось разрежение, обусловившее разность давлений по отношению к трубопроводу, 3 из последнего жидкость движется в насос 2. Особенностью полуоткрытого или открытого рабочего колеса является то, что у него отсутствует покрывной диск и один из двух продольных краев лопастей 9 и 10 сопрягается с неподвижной внутренней поверхностью корпуса 6 насоса 2 и движется вдоль нее с минимальным торцовым зазором 12. Во время движения лопасти 9 в корпусе 6, заполненном перекачиваемой жидкостью, на лопасти создается разность давлений, обуславливающая крутящий момент на валу. Неподвижная стенка корпуса 6, ограничивающая с одной стороны межлопастной объем жидкости, за счет сил трения о<о нее увеличивает падение давления позади лопасти. А отрыв входного потока от горловины всасывающего патрубка (особенно на форсированных режимах работы) в еще большей степени снижает давление за входной кромкой на тыльной стороне лопасти (Иванов Е.Г., Структура течений в лопастном насосе с полуоткрытым рабочим колесом. Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития: Труды Международной научно-технической конференции. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2008, с. 65-71.) В результате за входной кромкой лопасти в районе торцового зазора давление становится меньше давления насыщенных паров и образуется кавитационная каверна (Фиг. 2, Фиг. 6, положение 1). Кроме того, в зазоре 12 за счет высокой турбулизации потока имеет место щелевая кавитация, проходящая пузырьковую, зональную, отрывную фазы (Иванов Е.Г., Кавитация в полуоткрытом рабочем колесе центробежного насоса. Сборник докладов 6 съезда гидромеханизаторов России. - М.: МИЦ «ГИДРОМЕХАНИЗАЦИЯ)), 2012. с. 300-306).
В момент прохождения лопастью (9 или 10) канавки 13 зазор 12 увеличивается, гидравлические сопротивления через него уменьшаются, что вызывает мгновенный и интенсивный переток жидкости с рабочей стороны лопасти на тыльную в направлении кавитационной макрополости (Фиг. 6, положение 11). Это приводит к мгновенному их схлопыванию и образованию гидродинамического импульса на лопасть в направлении ее вращения (Фиг. 3, Фиг. 6, положение 111). Это обстоятельство предполагает возможность снижения крутящего момента на валу привода, а значит и мощности двигателя, что соответствует одной из поставленных целей в данной полезной модели - снижение энергопотребления привода насоса. Кроме того удар по лопастям 9 и 10 передается на диск 11 и по нему распространяется упругая волна с частотой, определяемой геометрическими параметрами и упругими свойствами диска 11 (Фиг. 7).
Совершая колебательные движения диск 11 и лопасти 9 (и 10) непрерывно передают упругие волны в проходящий поток жидкости. Жидкость всегда содержит особые частички - зародыши, в качестве которых могут выступать микропузырьки нерастворенного газа, твердые пылеватые включения, некоторые виды кластеров и т.д. При прохождении через каждую точку-зародыш отрицательного (Фиг. 1), вакуумметрического, полупериода звуковой волны жидкость в ней, как на концентраторе, разрывается с образованием парогазовой микрокаверны. Приход положительного, манометрического, полупериода упругой волны заставляет ранее образовавшиеся каверны схлопываться со скоростью встречного движения стенок, сопоставимой со скоростью звука в жидкости. В результате в течение короткого отрезка времени в локальной области пространства достигается высокая плотность энергии, что является причиной выделения тепла и стимуляции различных технологических процессов.
В этом случае, в фазе отрицательного полупериода происходит накопление некоторого запаса упругой энергии, а с приходом положительного полупериода (в виде дополнительной порции все той же упругой энергии) происходит их сложение и мгновенная концентрация.
При этом, оптимальные частоты звукового поля, следовательно, и размеры кавитационных каверн находятся в узких диапазонах значений. Так при малой частоте каждая микрокаверна вырастает в течение отрицательного полупериода до таких размеров, что за время положительного полупериода не успевает схлопнуться и поэтому только пульсирует, не создавая высокой плотности энергии (1. Назаренко А.Ф. Струйные излучатели. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М., МИХМ, 1982., 2. Эскин. Г.И. Ультразвук в металлургии. М., «Металлургия», 1970.)
При слишком высокой частоте звукового поля микрокаверны не достигнув должных размеров, не могут запасти достаточного количества энергии. Поэтому венец рабочего колеса должен: во-первых, быть настроенным на определенный диапазон частот, во-вторых, отделен от опоры упругой связью.
Для более точной настройки на заданные частоты лопасти могут быть установлены на массивном диске с помощью нормированных упругих связей, В этом случае диск исключается из процесса передачи жидкости колебаний, а искомые частоты будут определяться параметрами жесткости только этих упругих связей.
При этом, если число лопастей 9 (и 10) кратно числу канавок 13, то диск 11 одновременно будет получать удар от нескольких лопастей 9 или 10, и амплитуда колебаний будет максимальна. Если условие кратности нарушено, то в следующий момент напротив одной из канавок 13 оказывается другая лопасть и от нее возникает следующий импульс, который необходимо либо синхронно передать на диск 11 (в этот момент волна пришедшая от предыдущего удара должна отклонить лопасть в том же направлении, что и действующий импульс), либо передать его, когда волна от предыдущего импульса затухнет (за время между импульсами диск совершит около десяти колебаний).
По мере дальнейшего похождения лопастью 9 или 10 канавки 13 зазор 13 постепенно сокращается, течение в нем упорядочивается, переток сокращается и вновь за лопастью образуется область отрыва и кавитационная макрополость. Цикл повторяется.
Выполнение торцовой части лопасти 9 (и 10) эластичной 18 позволяет вход в зазор выполнить, повторяя плавную конфигурацию линий тока, т.е. с минимальными гидравлическими потерями (Фиг 8). Сокращение потерь и высокая разность давлений перед зазором и в зазоре (расчетные сечения 1-1 и 2-2) обеспечивают значительную величину скорости перетока (при минимальных поперечных размерах течения) в плоскости 2-2, что вызывает за счет возрастания скоростной составляющей снижение пьезометрической, вплоть до давления насыщенных паров. Образуется дополнительное кавитационное пространство, которое в совокупности с имеющейся областью кавитационной каверны при схлопывании увеличивает гидродинамический импульс на лопасть.
В итоге возникает автоколебательная система:
- движение лопасти 9 (и 10) относительно внутренней поверхности неподвижной стенки корпуса 6 лопастного насоса 2 порождает кавитационные макрополости, которые благодаря канавкам на внутренних стенках корпуса 6 схлопываются по заданной закономерности;
- гидроударные импульсы, частота которых определяется частотой вращения рабочего колеса, числом лопастей, числом канавок передаются синхронно на рабочее колесо, которое за счет своих упругих свойств колеблется с собственной частотой и обширной поверхностью излучает акустические волны по всей проточной части насоса. В этом случае импульсными воздействиями от схлопывания макрокавитационных полостей происходит накачка энергии в упругую механическую систему рабочего колеса, преобразование ее на нем под требуемую частоту и далее излучение в необходимой форме и по всему объему на проходящий поток;
- при акустическом облучении проходящего потока жидкости на его точках-зародышах в течение вакуумметрической фазы звуковой волны происходит накопление упругой энергии. В момент схлопывания микрокаверны этот запас упругой энергии локализуется в сверхмалых объемах и концентрируется в узком интервале времени, доводя плотность энергии до значений, сопоставимых с энергией взрыва;
- достигнутая плотность энергии достаточна для получения тепла, а так же для развития и протекания различных технологических процессов.
После прохождения проточной части рабочего колеса насоса 2 жидкость через выходное отверстие 17 корпуса 6 (напорный патрубок) попадает в вихревую камеру 1 (Фиг. 5), или в несколько вихревых камер 1, расположенных по наружному диаметру рабочего колеса (Фиг. 4а), в зависимости от исполнения устройства (соответственно по схеме аналога или прототипа). Войдя в вихревую камеру 1 по тангенциальному входу, жидкость совершает в ее улиткообразном корпусе почти полный оборот и взаимодействует с последующими своими же входными компонентами. При взаимодействии двух разнонаправленных компонентов одного и того же потока имеет место их конкуренция с периодическим характером, что и является источником звукообразования.
Таким образом, жидкость сама вырабатывает акустический сигнал и сама себя, один раз в лопастной системе насоса 2, а второй в улитке облучает звуковым полем. То есть за один цикл производится двукратная ее обработка, и, следовательно, нагрев - что способствует достижению второй поставленной в данной полезной модели цели - повышает эффективность работы устройства для нагрева жидкостей.
После выхода жидкости из вихревой камеры 1 через осевое отверстие она попадает в камеру торможения, выполненную либо в виде отливного канала 19 (при совмещенной конструкции вихревой камеры с приводным лопастным насосом - прототип), либо в виде цилиндрической камеры 20 (при раздельном варианте исполнения - аналог) тормозится в ней, переходя из вихревого режима течения в поступательное, и попадает сначала в трубопровод 3, а далее из него во входное отверстие насоса 2 и цикл повторяется.
Для включения устройства в отопительные системы в трубопроводе 3 предусмотрены входная 4 и выходная 5 врезки. Причем, на патрубке врезки 4 имеет место вакуум, а на патрубке врезки 5 избыточное давление, что обеспечивает циркуляцию теплоносителя по контуру отопительной системы. В данном случае образован параллельный трубопровод, в ветвях которого скорости циркуляции жидкости определяются по условию равных гидравлических сопротивлений, следовательно, по трубопроводу 3 н нциркуляция жидкости будет происходить более интенсивно, а по отопительной системе менее интенсивно по причине ее большей протяженности и наличия в ней большого количества местных сопротивлений. Опыт эксплуатации таких систем показывает целесообразность применения в отопительных контурах дополнительных циркуляционных насосов.
Аналогичные устройства в виде гидравлических свистков и гидравлических сирен широко использовались в 60-е годы 20 столетия в химических производствах, в металлургической и горнодобывающей отраслях, в пищевой промышленности, например при производстве вин, в нефтехимии и т.д., и показали очень высокую эффективность. В 90-е годы 21 века они начали использоваться в качестве нагревательных устройств. Однако, предлагаемая конструкция устройства для нагрева жидкости имеет ряд преимуществ перед известными техническими решениями:
- обработка жидкости происходит наиболее полно, в две стадии, в самом насосе «плюс в вихревой камере;
- нагнетательная часть нагревательного устройства по сложности не превышает уровень обычных центробежных насосов;
- в качестве нагнетательных элементов в устройствах для нагрева жидкости возможно использование с незначительными переделками известных серийно выпускаемых центробежных насосов;
- любому центробежному насосу, используемому только в качестве перекачивающего устройства, возможно обеспечить одновременную дополнительную функцию для обработки перекачиваемой среды: нагрева, дезинфекции, дегазации, диспергирования и т.д.