БЕСПРИВОДНЫЙ ПРОТОЧНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ
NON-DRIVEN DIRECT-FLOW HYDRAULIC WATER HEATER

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к устройствам, где кинетическая энергия потока жидкости преобразуется в тепловую энергию, и может быть использовано для нагрева воды из водоподающей гидросистемы (водопровода), используемой для производственных и бытовых нужд.
Известен теплогенератор для нагрева воды и производства пара (см. патент RU №2241918, F24J 3/00, 10.12.2004 г., бюл. №34), принятый за прототип. Теплогенератор содержит корпус, имеющий регулятор разрежения и кран для слива воды, в котором выполнены продольные сквозные, расположенные по касательной к внутренней поверхности корпуса щелевые отверстия, ориентация которых совпадает с направлением движения воды, цилиндр с верхним кольцевым патрубком, имеющим входной патрубок, и нижним кольцевым патрубком, имеющим выходной патрубок, на внутренней поверхности которого выполнены винтовые каналы для протока воды, фильтр и вентилятор.
Недостатком прототипа является недостаточная теплопроизводительность теплогенератора при давлении (0,2-0,6) МПа на входе из-за низких динамических параметров нагреваемой воды, низкой степени кавитационных процессов и отсутствия дополнительных воздействий на жидкость, высокие тепловые потери и потери полезного расхода при отводе воды из внутренней полости корпуса.
Предлагаемым изобретением решается задача: сокращение энергозатрат при нагревании воды, упрощение конструкции, повышение удобства эксплуатации.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в обеспечении эффективного нагрева проточной воды из водоподающей гидросистемы за счет повышения ее динамических свойств без дополнительных затрат электрической или иной энергии на фоне комплексного воздействия на поток воды, снижении трудоемкости изготовления, повышении удобства эксплуатации.
1
2
n
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом бесприводном проточном гидравлическом водонагревателе, состоящем из корпуса, в котором выполнены продольные, расположенные по касательной к внутренней поверхности корпуса щелевые отверстия, ориентация которых совпадает с направлением движения воды, крана для слива воды, цилиндра с верхним кольцевым патрубком, имеющим входной патрубок, и нижним кольцевым патрубком, имеющим выходной патрубок, новым является то, что входной патрубок выполнен в виде прямоугольного соплового ввода, на внутренней поверхности цилиндра и наружной поверхности корпуса выполнены противолежащие диаметральные перегородки с образованием канала, состоящего из последовательно расположенных сужающих устройств, расстояния L, L, … L между диаметральными перегородками уменьшается в направлении выходного патрубка, продольные щелевые отверстия в корпусе выполнены перед нижним кольцевым патрубком и в количестве одного отверстия - напротив внутренней полости верхнего кольцевого патрубка, внутренняя полость корпуса герметично закрыта со стороны обеих кольцевых патрубков крышками, в крышке, прилегающей к нижнему кольцевому патрубку, выполнен дополнительный патрубок, имеющий кран для слива воды.
На дополнительном патрубке установлен трехходовой вентиль для слива воды, который дополнительно посредством перепускного патрубка связан с выходным патрубком.
Верхний кольцевой патрубок выполнен со смещением относительно продольной оси водонагревателя.
Диаметральные перегородки на цилиндре и корпусе смещены относительно друг друга с образованием между цилиндром и корпусом канала лабиринтного типа.
Выполнение входного патрубка в виде прямоугольного соплового ввода позволяет:
- во-первых, сформировать полноценный поток внутри верхней кольцевой камеры, имеющий четко выраженный кольцевой характер движения;
- во-вторых, придать потоку, поступающему из водоподающей гидросистемы, ускоренный характер движения с целью дальнейшего преобразования кинетической энергии движущейся воды в тепловую энергию.
Выполнение на внутренней поверхности цилиндра и наружной поверхности корпуса противолежащих диаметральных перегородок прямоугольной формы с образованием канала, состоящего из последовательно расположенных сужающих устройств, позволяет:
- во-первых, создать при вращательно-поступательном движении воды в канале, имеющем малый зазор между корпусом и цилиндром, диаметральные зоны, в которых происходят интенсивные кавитационные процессы, приводящие к пульсациям давления и нагреву воды;
- во-вторых, осуществить многократное ускорение и торможение движения воды в межперегородочном пространстве, приводящее к образованию и разрушению большого количества кавитационных полостей с выделением тепловой энергии;
- в-третьих, получить суммарный пульсирующий процесс измерения давления в потоке воды, способствующий процессу ее нагрева;
- в-четвертых, поддерживать общий уровень давления в потоке воды на всем протяжении его продвижения в канале с последовательно расположенными сужающими устройствами, что особенно важно для эффективного нагрева воды из-за невысокого уровня давления в водоподающей гидросистеме (водопроводе) - (0,2-0,6) МПа;
- в-пятых, использовать воздействие на вращающийся поток воды, в котором происходят вышеописанные процессы центробежной силы.
1
2
n
Выполнение расстояний L, L, … L между сужающими диаметральными перегородками с уменьшением в направлении выходного патрубка позволяет:
- во-первых, поддерживать средние скорость и давление потока воды в канале по аналогии с принципом магнитного ускорителя;
- во-вторых, поднять температуру воды перед поступлением в нижний кольцевой патрубок до уровня, близкого к двухфазному состоянию.
Выполнение продольных щелевых отверстий в корпусе перед нижним кольцевым каналом и в количестве одного отверстия - напротив внутренней полости верхнего кольцевого патрубка позволяет:
- во-первых, сформировать каналы, связывающие внутреннюю полость корпуса с верхним кольцевым патрубком и каналом, состоящим из последовательно расположенных сужающих устройств;
- во-вторых, производить отвод воды во внутреннюю полость корпуса практически при максимальной температуре после ее прохождения через канал, состоящий из последовательно расположенных сужающих устройств;
- в-третьих, осуществить после заполнения нагретой водой внутренней полости корпуса подачу ее в верхний кольцевой патрубок, смешивая с холодным потоком воды;
- в-четвертых, за счет меньшего количества щелевых отверстий (одного), связанных с внутренней полостью верхнего кольцевого патрубка, сформировать внутри корпуса область достаточно высокого давления, но меньшего, чем давление в канале с последовательно расположенными сужающими устройствами, и с небольшим расходом осуществлять поступление воды внутрь верхнего кольцевого патрубка и ее дальнейшую, с малой интенсивностью, рециркуляцию в водонагревателе, тем самым снижая тепловые потери, неизбежно возникающие при прямом отводе воды из корпуса;
- в-пятых, при однозначно существующем перепаде давления на выходе щелевых отверстий внутрь корпуса возникают активные локальные зоны дополнительного нагрева.
Внутренняя полость корпуса герметично закрыта со стороны обоих кольцевых патрубков крышками, что позволяет:
- во-первых, образовать внутри корпуса герметичную полость, заполненную нагретой водой и связанную посредством щелевых отверстий с каналом с последовательно расположенными сужающими устройствами и с верхним кольцевым патрубком, обеспечив при этом герметичность всего водонагревателя за исключением отверстий входного и выходного патрубков;
- во-вторых, при исключении в данном случае непроизводительных потерь тепловой энергии за счет исключения безвозвратного отвода нагретой воды из корпуса и малого расхода рециркулируемой жидкости внутри него формируется аккумулирующий высокотемпературный объем воды.
Выполнение в крышке, прилегающей к нижнему кольцевому патрубку, дополнительного патрубка, имеющего кран для слива воды, позволяет при прекращении эксплуатации нагревателя удалить воду из его внутренних полостей, а при недопустимо малом напоре в водоподающей гидросистеме за счет частичного слива воды из корпуса и понижения давления внутри него обеспечить необходимую температуру в выходном патрубке.
Установка на дополнительном патрубке трехходового вентиля для слива воды, который дополнительно посредством перепускного патрубка связан с выходным патрубком, позволяет наряду с удалением воды из внутренней полости нагревателя при длительных технологических простоях и недостаточном напоре в водоподающей гидросистеме, осуществлять отвод части воды через перепускной патрубок к выходному патрубку и далее к потребителю, что позволяет регулировать температуру воды на выходе с более высокой эффективностью.
Выполнение верхнего кольцевого патрубка со смещением относительно продольной оси нагревателя позволяет сформировать дополнительный источник пульсирующих колебаний жидкости, способствующих ее эффективному нагреву, который накладывается на уже существующие пульсации.
Смещение диаметральных перегородок на цилиндре и корпусе относительно друг друга с образованием между цилиндром и корпусом канала лабиринтного типа позволяет:
- во-первых, осуществить эффективное дросселирование воды, сопровождающееся ее нагревом, в канале лабиринтного типа;
- во-вторых, снизить пульсации жидкости, приводящие к вибрации, в тех реальных условиях эксплуатации, где существуют ограничения по вибрационной составляющей, при минимальном снижении теплопроизводительности.
Придание диаметральным перегородкам трапецеидальной формы позволяет придать более четко выраженный характер пульсирующим процессам, происходящим в канале с сужающими устройствами.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана общая схема бесприводного проточного гидравлического водонагревателя; на фиг.2 - схема расположения прямоугольных перегородок, образующих последовательно расположенные сужающие каналы; на фиг.3 - схема расположения продольных щелевых отверстий перед нижним кольцевым патрубком; на фиг.4 - схема расположения продольного щелевого отверстия напротив внутренней полости верхнего кольцевого патрубка; на фиг.5 - вариант исполнения водонагревателя с трехходовым вентилем и перепускным патрубком; на фиг.6 - вариант исполнения верхнего кольцевого патрубка со смещением относительно продольной оси нагревателя; на фиг.7 - вариант исполнения диаметральных перегородок на цилиндре и корпусе с образованием канала лабиринтного типа; на фиг.8 - вариант исполнения диаметральных перегородок трапецеидальной формы.
n
2
1
Бесприводный проточный гидравлический водонагреватель состоит из корпуса 1, в котором выполнены продольные, расположенные по касательной к внутренней поверхности корпуса щелевые отверстия 2 и 3, ориентация которых совпадает с направлением движения воды, цилиндра 4, содержащего входной патрубок 5 в виде прямоугольного соплового ввода для подачи холодной воды из водоподающей гидросистемы, переходящий в верхний кольцевой патрубок 6, служащий для распределения и закручивания подаваемой холодной воды, нижний кольцевой патрубок 7 для сбора горячей воды, выходной патрубок 8 для отвода горячей воды. На внутренней поверхности цилиндра 4 и наружной поверхности корпуса 1 выполнены противолежащие диаметральные перегородки 9 прямоугольной формы с образованием канала 10, состоящего из последовательно расположенных сужающих устройств. Расстояние между сужающими устройствами уменьшается в направлении выходного патрубка 8: L…<L<L. Продольные щелевые отверстия 3 в корпусе 1 выполнены перед нижним кольцевым патрубком 7 и в количестве одного отверстия 2 - напротив внутренней полости верхнего кольцевого патрубка 6. Внутренняя полость корпуса 1 герметично закрыта со стороны обоих кольцевых патрубков крышками 11 и 12. В крышке 12, прилегающей к нижнему кольцевому патрубку 7, выполнен дополнительный патрубок 13, имеющий кран 14 для слива воды.
В варианте исполнения водонагревателя на дополнительном патрубке 13 установлен трехходовой вентиль 15 для слива воды, который дополнительно посредством перепускного патрубка 16 связан с выходным патрубком 8.
Верхний кольцевой патрубок 6 может быть выполнен со смещением "а" относительно продольной оси нагревателя.
В варианте исполнения диаметральные перегородки 9 на цилиндре 4 и корпусе 1 смещены относительно друг друга с образованием между цилиндром и корпусом канала 17 лабиринтного типа.
Диаметральные перегородки 9 могут иметь трапецеидальную форму.
Бесприводный проточный гидравлический водонагреватель работает следующим образом. Холодная вода, поступая из водоподающей гидросистемы (водопровода) под давлением через входной патрубок 5 в виде прямоугольного соплового ввода, ускоряется и закручивается в верхнем кольцевом патрубке 6. Далее в зависимости от варианта исполнения она, попадая в канал 10 или 17 и находясь под действием центробежной силы, с высокой скоростью вращательно-поступательно движется к нижнему кольцевому каналу 7. При прохождении через канал 10 с диаметральными перегородками 9, имеющий малое сечение, происходит многократное ускорение и торможение вращательно-поступательного потока воды, сопровождающееся пульсирующим изменением давления за счет интенсивно протекающих кавитационных процессов. Все это приводит к быстрому нагреву воды. При выполнении водонагревателя со смещением диаметральных перегородок 9 на цилиндре 4 и корпусе 1 относительно друг друга с образованием между цилиндром и корпусом канала 17 нагрев воды осуществляется за счет процесса ее дросселирования при низкой пульсационной составляющей. За счет перепада давления внутри корпуса 1 и в каналах 10 и 17 в зонах выхода продольных щелевых отверстий 3 внутрь корпуса 1 происходит резкое повышение температуры воды. Далее большая часть нагретой воды поступает через нижний кольцевой патрубок 7, выходной патрубок 8 к потребителю. Меньшая часть воды через щелевые отверстия 3 заполняет внутреннюю полость корпуса 1, ограниченную крышками 11 и 12. После заполнения этой полости и создания в ней достаточного уровня давления нагретая вода через щелевое отверстие 2 с малым расходом относительно расхода в канале 10 или 17 смешивается с холодной водой в верхнем кольцевом патрубке 6. При недопустимо малом напоре в водоподающей гидросистеме за счет частичного слива воды из корпуса 1 через дополнительный патрубок 13 с краном 14 и понижения давления внутри него обеспечивается необходимая температура воды в выходном патрубке 8.
Регулирование температуры воды в выходном патрубке 8 в варианте исполнения водонагревателя производится при помощи трехходового вентиля 15 через перепускной патрубок 16, связанный с выходным патрубком 8.
Выполнение верхнего кольцевого патрубка 6 со смещением "а" относительно продольной оси нагревателя позволяет повысить эффективность нагрева за счет формирования дополнительного пульсирующего процесса в потоке воды.