ТЕПЛОГЕНЕРАТОР КАВИТАЦИОННОГО ТИПА

Данное изобретение относится к преобразователям кинетической энергии потока водяного раствора в тепло и может быть использовано в качестве альтернативы нагревателям, работающим либо на электроэнергии (применение ТЭН) либо за счет сжигания природного пропан-бутанового газа, угля, солярки и т.п.
В отличие от всех известных кавитаторов, используемых как тепловые источники обогрева помещений заданного объема и/или получения горячей воды для индивидуальных нужд, предлагаемое устройство снабжено двумя контурами, позволяющими выполнять одновременно обе эти функции при широкой вариации температуры обогрева.
В отличие от [1], предложенный аппарат предназначен для интенсивной и многократной обработки потока жидкого теплоносителя посредством многократной кавитации с наложением электрогидроудара при наличии сильного электрического импульсно-частотного поля, что обеспечивает повышение энергонасыщенности жидкости, способствует увеличению коэффициента преобразования кинетической энергии в тепло при высокой стабилизации характеристик кавитации во времени, получению энергонасыщенных потоков воды при минимальной эрозии главных элементов устройства и, главное, позволяет регулировать в широком диапазоне температуру обогрева заданного объема.
Принципиальная блок-схема предложенной модели теплогенератора приведена на фиг.1, а на фиг.2 - один из вариантов использования для обогрева помещений и получения горячей воды.
1
Устройство, показанное на фиг.3, выполнено в виде трубы, содержащей на входе ускоритель потока в виде вихревой камеры, каналы которой выполняют роль либо трубок Винтури, заканчивающихся аэродинамическими решетками, либо сопел Лаваля с зоной эжекции; цилиндрическую камеру с рядом последовательно размещенных различных по конструкции гидромеханических кавитаторов с разделителями потока и многократньми скачками давления; электрогидродинамический или комбинированный кавитатор, обеспечивающий за счет электрического импульсного пробоя транспортируемого потока в критическом сечении кавитатора возникновение ударных волн со скачком давления ДР на их фронте, величина которого пропорциональна произведению квадрата амплитуды импульса разрядного тока, пропускаемого через разрядный канал с образованием вокруг разрядного канала парогазовой рубашки, что в совокупности обеспечивает в области схлопывания (кавитации) возникновение акустических волн ультразвукового диапазона при интенсивном свечении в широком диапазоне спектра, 140≤ λ ≤700 нм, зависящего от электрической энергии одиночного импульса и частоты их следования; приемник потока, в котором, в зависимости от режима работы устройства, поток обработанного жидкого теплоносителя разделяется на потоки с различным расходом Q и интенсивностью задаваемых скоростей ν - один из этих потоков, пройдя регулируемый дроссельный клапан, образует обратную связь и возвращается через эжектор во входную вихревую камеру; второй поток, пройдя нагрузку в виде ряда последовательно соединенных радиаторов - батарей, поступает в накопительную емкость - бойлер и далее
попадает на вход основного водяного насоса; третий поток (при необходимости) используется в качестве источника горячей воды для индивидуального пользования, имея для этого небольшой по объему бак с теплоизоляцией.
В большинстве случаев в рассматриваемой схеме достаточно иметь два потока, так как горячая вода для индивидуального использования может быть получена с помощью змеевика, размещенного внутри бойлера основного потока, а сам нагрев воды происходит за счет температуры теплоносителя, которым служит не вода, а, например, антифриз.
В предложенном устройстве используется многократная кавитация с периодически изменяющимся давлением в потоке обрабатываемой жидкости, являющейся теплоносителем, в результате чего кинетическая энергия потока преобразуется в энергию ионизации молекул жидкости, как это подтверждается патентом РФ №2054604, или за счет преобразования энергии закрученного потока в тепло, как это следует из Авторского свидетельства СССР №543834 или №1685543. Этот же эффект подтверждается патентами [2, 3].
Однако, эти прототипы обладают следующими недостатками:
- сложностью их конструктивного исполнения;
- значительной эрозией мест кавитации и необходимостью создания сложнейших, как в [2, 4], конструкций камер;
- значительной нестабильностью процессов кавитации и невозможностью управления ни ее интенсивностью, ни зоной схлопывания, ни величиной подъема температуры теплоносителя;
- периодическое "закипание" жидкости, требующее временной приостановки работы преобразования.
В предложенном устройстве все отмеченные недостатки сведены к минимуму. Этот результат достигается за счет того, что данный аппарат выполнен в виде трубы, содержащей входное и выходные отверстия, совмещенные с вихревыми камерами, цилиндрическую камеру с несколькими (не менее трех) кавитаторами различной интенсивности и типом воздействия, где и реализуется принцип изменения пульсирующего по строго определенному закону давления в главной камере устройства.
1
0
1
3
Жидкость - теплоноситель: вода и/или водный раствор типовьм насосом через конфузор подается в нижнюю вихревую камеру строго по касательной, используя эффект циклона, под действием центробежных сил создает в зоне закрученный вихревой поток, разделенный на множество струй. Каждый канал выполняет либо роль трубки Винтури, создавая на выходе зону разрежения, либо сопло Лаваля с эффектом эжекции при коэффициенте инжекции близком к единице, обеспечивая уже на этом этапе разделенных струек возникновение акустических колебаний, частота излучения которых определяется числом каналов, отношением критического сечения трубки Винтури или сопла Лаваля и гидросопротивлением пути струек. В результате на выходе из нижней вихревой камеры происходит существенная закрутка потока с преобразованием его в однородное по сечению двухфазное состояние при интенсивном диспергировании на входе в цилиндрическую камеру, чему способствует установленная на его пути аэродинамическая решетка. При этом в зависимости от напора или начальной скорости потока ν, создаваемого водяным насосом скачки давления на выходе генерируют акустические волны с частотой f до 0.5·10 Гц на каждую МПа входного напора p.
0
N
N
3
Для повышения частоты акустического излучения почти до 2f (f=10 Гц) в предложенном устройстве производится наложение основного потока с потоком, создаваемьм каналом обратной связи, что и повышает частоту звучания. Так при использовании насоса с напором 0.6 МПа создаются акустические волны на выходе из нижней вихревой камеры с f≈6 кГц.
При этом входная скорость потока в цилиндрическую камеру достигает 10 м/с.
Представленная на чертеже фиг.1 принципиальная схема теплогенератора предлагаемого типа работает следующим образом: вода или любой водный раствор из системы "О" (например, из водопровода или из накопительного бака) насосом 1 или
B
в
B
1
3
1
2
1
i
самотеком под давлением системы через типовой трубопровод подается в накопительную камеру 2, выполняющую роль бойлера. Из этой емкости стандартным водяным насосом 3 при заданном расходе Q и напоре р жидкость, выполняющая роль теплоносителя, поступает по принципу циклона, т.е. строго по касательной к внутренней поверхности корпуса вихревой камеры 4, создавая одновременно эжекторный эффект подсоса (разрежения) с зоной по центру вихревой камеры. Технологически размещение элементов системы с кавитаторами показано на фиг.2, как на одном из возможных вариантов использования теплогенератора предложенной модели. На выходе из 4 поток в виде двухфазного состояния поступает в гидромеханический кавитатор 5 диафрагменного вида, где претерпевает колебание и/или скачок давления с возникновением за его критическим сечением между конфузором и диффузором с дискообразным "карманом" зоны схлопывания, т.е. резкого выделения газа, растворенного в жидкости, в виде пузырьков с последующим их "взрывом". Для повышения эффективности газовыделения и последующего его растворения с выделением в объем тепла Θ, количество которого зависит только от расхода Q при заданной величине достигаемого скачка давления Δp возникающего на границе переходов dkp·dkp/dkp при известной начальной скорости на выходе из нижней вихревой камеры ν-const, создается в кавитаторе узел двойного скачка p;.
1
На расстоянии P от среза выхода из гидромеханического кавитатора 5 устанавливается комбинированный кавитатор 6, представляющий собой соединение гидромеханического кавитатора с системой, которая обеспечивает электрогидродинамический удар за счет электрического пробоя (разряда) в критическом сечении этого устройства (см. фиг.3). Для получения требуемого эффекта, т.е. электрического пробоя, в конструкцию такого кавитатора внесен ряд принципиальных изменений, которые могут быть сведены к следующему:
• входной конфузор выполнен в виде цилиндрического электрода с углом наклона β к оси, подсоединяемого через стандартный высоковольтный ввод - проходной изолятор, например, с помощью стандартной автомобильной свечи, к импульсному источнику электропитания, задающему на этот электрод отрицательный наносекундный импульс напряжения заданной энергии так, чтобы амплитуда разрядного тока превысила 1.2 кА при длительности импульса не менее 150 не, но не более 500 не;
• электрод, выполняющий роль катода, изолирован от заземленного корпуса аппарата диэлектриком, выполненным, например, из эпоксидного компаунда с наполнителем, не позволяющим его поверхности смачиваться водой;
• анодом этого комбинированного кавитатора служит заземленный диск с острым торцом и с диэлектрическим обтекателем при заданном угле атаки α и со специальным цилиндрическим хвостом, покрытым диэлектриком, для крепления и центровки. Дискообразный анод обеспечивает коэффициент неоднородности электрического поля в критическом сечении не менее 0.3.Вариации уровнями напряжения и амплитудой разрядного тока используемого источника электропитания, его крутизной фронта, длительностью и скважностью импульсов тока обеспечивают плавное управление и регулировку интенсивностью как процессами кавитации, так и самой зоной схлопывания в широком диапазоне изменений величины скачка давления и количества ударных волн.
Далее рабочий поток теплоносителя подвергается повторной или дополнительной типовой гидромеханической кавитации за счет элемента 7, который конструктивно подобен 5, с различием лишь в том, что выходной диффузор у кавитатора 7 имеет дополнительный обтекатель в виде твердого тела с углом атаки не менее 60°, осуществляющий дополнительный скачок давления и регулирующий зону схлопывания.
1
Такое многократное воздействие при ν-const обеспечивает скорость роста температуры теплоносителя не менее 3° в секунду.
В разделительной верхней вихревой камере 8 поток теплоносителя может разделяться на два или три канала:
1 - канал для основной нагрузки, т.е. для нагрева и поддержания температуры в заданном объеме с помощью теплообменников - например с использованием стандартных радиаторов;
2- канал обратной связи с размерами (диаметрами) трубопровода не менее в три раза меньше, чем размер корпуса, необходимый для стабилизации скорости нарастания задаваемой температуры потока;
3- канал для использования нагретой воды в индивидуальном пользовании, например, на кухне и в ванной. Для ряда конструкций теплогенераторов экономически выгоднее этот третий поток вообще исключить из основной системы, а горячую воду получать с помощью нагрева проточной воды из водопровода через змеевик, размещаемый внутри бойлера. В этом случае вода автоматически нагревается основным теплоносителем, повышая тем самым КПД преобразования.
Распределение потока теплоносителя по каналам может осуществляться как вручную, так и автоматически с использованием стандартных систем, например, с помощью автоматических гидроклапанов фирмы Lechler типа L-502 (Германия) или Magnum типа HVS (США).
Для недопущения вскипания жидкости в предложенном теплогенераторе используется идея двух воздействий на теплоноситель:
- канал обратной связи с регулируемой скоростью транспортировки за счет вариации гидросопротивлением контура 12, осуществляемой как с помощью клапана 9, совмещенного с магнитной муфтой, так и эжектором струйного аппарата, размещенного в нижней вихревой камере 4;
- методом изменения скважности между включением и выключением основного насоса.
В верхней вихревой камере 8 гасятся турбулентно - кавитационные процессы, сопровождаемые акустическим ультразвуковым излучением, гася тем самым на 20-30 децибел шумы преобразователя. Поток уже нагретого теплоносителя в виде воды или водного раствора антифриза поступает в трубопровод из металлопластика 12, проходит через теплообменники и возвращается уже с пониженной на ΔТ температурой в накопительную емкость 2. При движении этой жидкости по нагрузке за счет естественного теплосъема происходит обогрев заданного окружающего объема.
3
При применении в качестве рабочей среды водопроводной воды с расходом 3 м /час для теплогенератора с внутренним диаметром в 60 мм и активной длиной около 1200 мм (с учетом вихревых камер) скорость обогрева объема в 300 м или площадь в 100 м составит 0.3 градуса в секунду, а самой рабочей среды не менее 2÷2.5 градусов в секунду.