ТЕПЛОВОЙ КАВИТАЦИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР
HEAT CAVITATION GENERATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к альтернативным видам энергетики, в частности к агрегатам, предназначенным для создания температурных полей в автономных замкнутых системах теплоснабжения, теплофикации локальных стационарных объектов, в технологических процессах, требующих изменения реологических свойств обрабатываемых сред путем температурного воздействия на них при перекачивании, в установках для процессов смешения, диспергирования, очистки, а также гидроразрыва добычного пласта при разработке полезных ископаемых.
Уровень техники
Известны тепловые генераторы или устройства, в которых реализуются способы гидродинамического теплового нагрева, генерируемого в динамических турбомашинах колебательными, кавитационными или другими процессами, формирующимися в движущейся жидкости, с помощью сопутствующего механического воздействия при турбулентном перемешивания слоев, контактирования потока с поверхностями деталей проточной части и корпуса, дросселирования через щелевые и концевые уплотнения, а также возникающих в системе гидравлических ударов и т.д.
В общем коэффициенте полезного действия (в дальнейшем КПД) динамических турбомашин указанные энергозатраты учитываются механическими и гидравлическими КПД и рассматриваются как естественные потери, сопутствующие процессам транспортирования и перекачке жидкостей.
Кавитационные явления, заключающиеся в образовании в жидкости местных областей, в которых происходит выделение парогазовых каверн с последующим их разрушением, являются результатом быстротекущего процесса конденсации паров и схлопывания пузырьков, сопровождающегося высокочастотными гидравлическими микроударами и высокими забросами давления в локальной области (см. Башта Т.М. Гидравлические приводы летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1967. - 497 с.: ил.).
Кавитация обычно возникает в динамических турбомашинах, трубопроводах, а также во всех устройствах, где поток жидкости резко изменяет направление, подвергается воздействию сужений проточного тракта с последующим расширением - в кранах, клапанах, вентилях, диафрагмах.
Кавитация, нарушая установившийся режим работы гидравлических машин и их систем, приводит к разрушению агрегатов, арматуры и трубопроводов, чаще всего работающих при значительных давлениях и подачах.
Известно, что особенно негативное действие на работу динамических насосов и турбомашин кавитация оказывает тогда, когда в процессе функционирования агрегата по тем или иным причинам происходит отрыв потока от рабочей поверхности элемента, осуществляющего транспортировку или перемещение жидкости. Возможность такого отрыва потока зависит от величины давления жидкости на всасывающем тракте, ее реологических свойств, а также конструкторско-технологического исполнения и оборотов насоса. К примеру, явление кавитации может наступить, если давление на приемном патрубке всасывающего тракта окажется недостаточным для того, чтобы обеспечить неразрывность потока жидкости в процессе изменения скорости ее движения, задаваемой изменением скорости движения всасывающего клапана насосного агрегата. Предельно допустимым числом оборотов насоса является такое число, при котором абсолютное давление жидкости на всасывающем тракте будет способно преодолеть без разрыва потока сумму потерь в нем.
В случае лопастных и вихревых насосов к рассмотренным внутренним потерям на всасывании добавляются потери, обусловленные центробежной силой.
С появлением кавитации производительность динамических турбомашин понижается, возникает характерный шум, происходит эмульсирование жидкости, а также наблюдаются резкие частотные колебания давления в нагнетательной линии и ударные нагрузки на детали насоса, которые могут вызвать выход агрегата из строя.
В зонах кавитации происходит разрушение (эрозия) деталей гидроагрегата с образованием на их поверхностях характерных повреждений (в виде каверн, раковин).
-3
2
О природе явления кавитации и о механизме разрушительного действия ее на гидравлические агрегаты и их элементы существует несколько гипотез, наиболее распространенная из которых сводится к следующему. При понижении давления в какой-либо точке потока жидкости до величины ниже давления насыщенных ее паров при данной температуре жидкость вскипает (происходит ее разрыв), выделившиеся же пузырьки пара увлекаются потоком и переносятся в область более высокого давления, в которой паровые пузырьки конденсируются (смыкаются). Так как процесс конденсации парового пузырька (каверны) происходит мгновенно, частицы жидкости, заполняющие его полость, перемещаются к его центру с большой скоростью. Теоретические расчеты показывают, что скорости встречи стенок смыкающегося пузырька (каверны) могут достигать величин, превышающих сотни метров в секунду. В результате кинетическая энергия соударяющихся частиц жидкости вызывает в момент завершения конденсации (в момент смыкания пузырьков) местные гидравлические удары, сопровождающиеся резкими забросами давления и температуры в центрах конденсации. Теоретические подсчеты показывают, что местный заброс давления при быстротекущем (за время, приблизительно равное 1 с) разрушении (смыкании) кавитационного пузырька может достигать 2000-3000 кГ/см.
Если конденсация паровых пузырьков будет происходить у стенки корпуса агрегата или канала, то она будет подвергаться непрерывным гидравлическим ударам с высокой повторяемостью со стороны частиц жидкости. В результате при длительной кавитации под действием указанных гидравлических ударов и одновременном воздействии высокой температуры, развивающейся в центрах конденсации этих ударов, на поверхности стенки за непродолжительное время образуются микроскопические раковины (углубления), рост которых связан с длительностью воздействия.
Проведенные исследования показали, что наблюдаемые в практике кавитационные явления происходят в основном не в результате выделения паров жидкости, а вследствие выделения из жидкости в зонах пониженного давления растворенного воздуха, а также расширения пузырьков последнего, находящихся в механической смеси с жидкостью (см. Башта Т.М. «Гидравлические приводы летательных аппаратов», - М.: Машиностроение, 1967. - 497 с.: ил., см. также Т.М.Башта. "Машиностроительная гидравлика", M.: Машиностроение, 1971 г., - 671 c.).
Последнее подтверждается тем, что кавитация начинается не при давлении парообразования в жидкости, а при некотором критическом давлении, значительно превышающем давление парообразования. Длительными испытаниями различных гидравлических систем также установлено, что в реальных условиях при работе динамических турбомашин, невозможно создать такой вакуум, который соответствовал бы упругости паров жидкости. Развитию столь низких давлений (вакуума), соответствующих давлению парообразования в жидкости, препятствует в этом случае воздух, находящийся как в растворенном состоянии, так и в механической смеси с жидкостью в виде пузырьков того или иного размера, которые мгновенно расширяются при любом понижении давления.
Высказанное предположение подтверждается также тем, что кавитация начинается тем раньше, чем больше воздуха содержится в жидкости, при деаэрировании же ее кавитационная стойкость повышается (начало кавитации смещается в зону более высокого вакуума).
Исследования позволяют заключить, что кавитация и кавитационное разрушение поверхностей деталей гидроагрегатов происходит в результате механического воздействия на них гидравлических ударов, возникающих при смыкании воздушных кавитационных каверн (пузырьков), а также в результате нагрева этих поверхностей при этих ударах до высоких температур.
Механизм этого явления схематически можно представить в следующем виде. При попадании воздушных пузырьков в зону повышенного давления они с большой скоростью смыкаются (захлопываются), причем более мелкие растворяются в жидкости, а более крупные - резко уменьшаются в объеме. Во время смыкания пузырька частицы окружающей его жидкости перемещаются с большой скоростью к центру пузырька и кинетическая энергия этих частиц создает местные гидравлические удары с большими, мгновенно (ударно) нарастающими забросами давления в центре пузырька.
Вследствие большой скорости и высокого уровня сжатия воздушного пузырька в нем развиваются высокие температуры, которые, как показывают расчеты, могут достигать при адиабатном процессе сжатия 1000-1500°C и выше. Удары частиц жидкости при смыкании такого пузырька по поверхности детали вызывают местный нагрев ее до такой температуры, сочетание которой с ударами приводит к интенсивному эрозионному разрушению материала.
Не исключена также возможность выделения и участия в рассматриваемом явлении пузырьков пара жидкости, образованию которых будет способствовать возмущение ее при течении с большим перепадом давления, локальный резкий рост температуры и активное выделение воздуха.
Под действием этих температур в присутствии кислорода воздуха происходит активное окисление (коррозия) поверхностей. Следует также отметить, что происходящие при этом окислительные процессы усугубляются тем, что растворенный в жидкости воздух содержит больше кислорода, чем атмосферный.
При этом интенсивность окислительных процессов повышается еще и в результате того, что под действием механических (гидравлических) микроударов разрушается окислительная пленка, которая в обычных условиях защищает металлические поверхности деталей от воздействия кислорода и замедляет их окисление. Поскольку эта пленка обладает пониженными механическими свойствами, она легко разрушается (дробится) под действием гидравлических микроударов и уносится потоком, обнажая незащищенные участки металлической поверхности.
Наблюдения показывают, что с появлением первых изъязвлений (шероховатостей) интенсивность дальнейшего кавитационного разрушения резко повышается. В равной мере процесс кавитационного разрушения ускоряется при наличии на поверхностях деталей шероховатостей, микротрещин и прочих местных дефектов. При захлопывании в этом случае кавитационных каверн, сопровождающемся гидравлическими микроударами высокой частоты и уровня, в порах (микротрещинах) возникают высокие ударные давления, превышающие давление гидроудара при захлопывании каверны, под действием которых жидкость продавливается в поры, сжимая при этом находящийся в порах воздух, который нагревается до высоких температур.
Очевидно, что некоторую роль в усилении кавитационного разрушения при наличии шероховатости играет также и то, что шероховатость поверхности увеличивает ее площадь в сравнении с площадью такой же гладкой поверхности.
Наблюдения также показывают, что кавитация наступает тем раньше, чем больше жидкость загрязнена твердыми частицами. Последнее обусловлено тем, что на поверхности загрязняющих твердых частичек адсорбируется тонкий слой воздуха, частицы которого при попадании в зону пониженного давления служат зародышевыми очагами, способствующими возникновению кавитации.
Первые конструкции гидродинамических генераторов тепла на основе кавитационных процессов появились в начале 70…80-х годов и использовались для генерирования тепловых полей:
- лабораторных и технологических установок, в том числе способы воспроизведения в лабораторных условиях аэродинамического нагрева и охлаждения летательных аппаратов, нагрева газа в аэродинамическом канале экспериментальных исследовательских установок и т.д. (см. Авторское Свидетельство СССР №120940, кл. G01M 9/00, F24J 3/00, опубл. 01.01.1959 г; Авторское Свидетельство СССР №354235, кл. F24J 3/00, G01M 9/00, опубл. 01.01.1972 г.; Патенты Российской Федерации: №2150055, кл. F24J 3/00, опубл. 27.05.2000; №2144627, кл. F15D 1/02, F24J 3/00, опубл. 20.01.2000; №2131094, кл. F25B 29/00, опубл. 27.05.1999);
- агрегатов пищевой и металлургической промышленности, в том числе для сушки и пастеризации сельскохозяйственных продуктов, процессов переработки отходов рыбного производства (см. Авторские Свидетельства СССР: №1685543, кл. B05B 7/10, опубл. 23.10.1991 г.; №444919, кл. F24J 3/00, B01J 1/00, опубл. 30.09.1974; Патент Российской Федерации №2063583, кл. F24H 3/02, F26B 23/00, опубл. 10.07.96; №2242683, кл. F24J 3/00, опубл. 20.05.2004);
- установок для диспергирования, то есть для различных видов обрабатываемых и разделяемых на фракции углеводородных и кремнийорганических жидкостей, а также всевозможных растворов, эмульсий и суспензии на их основе, в широком диапазоне вязкости и других физико-химических свойств (см. Авторское Свидетельство СССР №543824, кл. F28F 13/10, B06B 1/18, 25.01.1977 г.; Патент Российской Федерации №2177824, кл. B01F 11/02, опубл. 10.01.2002 г.);
- в области ветро-, гелио- и гидроэнергетике, то есть в устройствах накопления и сохранения энергии. Технический результат этой группы изобретений заключается в обеспечении процесса аккумулирования природной энергии - солнечной, ветровой, волновой - без потерь энергии во времени и увеличении объема аккумулированной природной энергии (см. Авторское Свидетельство СССР №1627790, кл. F24J 3/00, 15.02.1991; Патент СССР №1329629, кл. F24J 3/00, 07.08.1987, Патент США №3385287, кл. 126-247; Авторское Свидетельство СССР №989267, кл. F24J 3/04, 15.01.1983; Патент СССР №13701, кл. F24J 3/00, 31.03.1930; Патент Российской Федерации №2177081, кл. F03D 9/00, F24J 3/00, опубл. 20.12.2001 г.).
С 90-х годов прошлого века разработаны и запатентованы конструкции тепловых генераторов для использования их как альтернативных источников энергии. В том числе патенты агрегатов на основе кавитации и вихревого эффекта, предназначенных для систем теплоснабжения, без применения органического топлива и теплофикации отдаленных или небольших по объему коммунальных объектов. Как показали исследования коэффициент преобразования энергии (далее КПЭ) в таких агрегатах высок, так как потери электрической энергии полностью идут на нагрев рабочей среды. По заключению Ракетно-космической корпорации «Энергия» №77-6/33 от 01.12.1994 г., вихревые нагреватели жидкости (ВНЖ) имеют средний условный коэффициент преобразования энергии (КПЭ) на 23% выше по сравнению с электродными теплогенераторами и на 42% выше по сравнению с тепловыми электронагревателями.
Известны многочисленные технические решения тепловых генераторов, в которых реализованы способы кавитационно-вихревого воздействия для нагрева воды в системах горячего водоснабжения при теплоснабжении жилых, общественных и промышленных зданий, а также увеличения текучести технологических жидкостей большой вязкости.
В известном техническом решении по патенту Российской Федерации №2150055, «Способ нагревания жидкости и устройство для его осуществления», кл. F24J 3/00, автора Селиванова Н.И., опубл. 27.05.2000 (аналог) генерация тепла в нагреваемой жидкости осуществляется с помощью механического воздействия на нее вращающегося рабочего колеса с заданной линейной скоростью и наложением колебательного процесса определенной расчетной частоты.
Описываемое в изобретении устройство и способ осуществления нагрева жидкости заключается в нижеследующем: в полость вращающегося рабочего колеса, расположенного коаксиально статору, подается через центральное отверстие в торцевой крышке подлежащая обработке рабочая среда. Выпуск обрабатываемой жидкости в статор производится из полости рабочего колеса через ряд выходных отверстий, равномерно расположенных на его периферийной поверхности. Отвод жидкости в циркуляционный контур или расширительную емкость теплоэнергетической системы производится через отверстие, расположенное на диаметрально противоположной относительно крышке торцевой стенке статора.
Согласно одному из предпочтительных вариантов описываемого изобретения выпуск жидкости из полости рабочего колеса осуществляют в кольцевую камеру, образованную его периферийной поверхностью и концентрической поверхностью статора.
Причем радиус периферийной поверхности рабочего колеса и частоту его вращения задают в зависимости от выбранного числа оборотов и количества выходных отверстий рабочего колеса согласно эмпирическим соотношениям. При этом данные соотношения являются функциональными зависимостями между радиусом периферийной поверхности рабочего колеса, оборотами ротора и количеством выходных отверстий, сформированных на торцевой поверхности колеса.
В другом предпочтительном варианте (по патенту №2150055) исполнение описываемого устройства и способ генерирования тепла с отводом обрабатываемой жидкости из кольцевой камеры, образованной периферийной поверхностью рабочего колеса и концентричной поверхностью статора, осуществляют через ряд выпускных отверстий, равномерно расположенных на концентричной поверхности статора, которые при вращении рабочего колеса последовательно располагаются против его выходных отверстий.
В наиболее эффективном (по описанию патента №2150055) варианте исполнения устройства для нагревания жидкости, при соблюдении оптимальных соотношений между радиусом периферийной поверхности рабочего колеса, оборотами ротора и количеством выходных отверстий, сформированных на торцевой поверхности колеса, эффект избыточного баланса энергии проявляется наиболее сильно. При этом достигаемый эффект может быть усилен благодаря комбинированному колебательному воздействию на жидкость сначала при ее выходе через отверстия рабочего колеса в кольцевую камеру, а затем при ее выходе из кольцевой камеры через отверстия на концентричной поверхности статора.
По утверждению автора изобретения, №2150055, ротор устройства может содержать несколько рабочих колес, установленных на одном валу, которые по потоку жидкости соединены последовательно, с возможной установкой в них лопаточной решетки. Причем система может быть закольцована для обратной подачи части обработанной жидкости с выхода устройства на его вход на повторную обработку и иметь произвольную пространственную ориентацию ротора.
Анализ особенностей и кинематических параметров описываемой системы показывают, что даже при установке лопаток во внутренней полости, наблюдается несоответствие между основными рабочими характеристиками - напором, производительностью и затрачиваемой мощностью при прохождении потока через рабочее колесо, а, соответственно, минимизация КПД. Кроме того, приведенные в патенте №2150055 системы не обладают самовсасыванием и воздействие их на рабочую среду до контакта ее с рабочим колесом не производится на всем пути прохождения жидкости до встречи с внутренней поверхностью обода.
Известно, что в лопаточных турбомашинах напор представляет собой приращение гидравлической энергии, приобретаемое каждой единицей массы или объема перекачиваемой (транспортируемой) среды при прохождении ею пути от всасывающего до нагнетательного штуцера системы. Инициатором приращения энергии в колесе принято считать постоянное приращение напора на элементарном участке лопасти (гипотеза К.Пфлейдерера), что интегрально соответствует разности удельных энергий жидкости между всасывающим и нагнетательным штуцерами.
С другой стороны, полный гидродинамический напор в лопастной турбомашине есть разность между потенциальными и скоростными (динамическими) напорами соответственно у входа и выхода из рабочего колеса. Скоростной напор формируется как разность квадратов абсолютных скоростей на выходе и входе, отнесенной к удвоенной величине ускорения свободного падения тел в околоземной атмосфере.
То есть скоростной (динамический) напор в полной мере зависит от разности величин абсолютных скоростей на выходе и входе - чем выше эта разность, тем выше приращение гидравлической энергии в системе. Однако при последующем движении рабочей среды к выходу из системы, в нагнетательный трубопровод, абсолютную скорость приходится резко снижать, что осуществляется в лопаточной решетке направляющего аппарата или обратном диффузоре корпуса.
Для увеличения полного потенциального напора в лопаточной машине необходимо стремиться увеличивать разность окружных скоростей рабочего колеса на внешней и внутренней кромках лопатки, то есть формировать лопатки максимально возможной длины.
Следовательно, предложенное техническое решение и способ по патенту Российской Федерации №2150055, «Способ нагревания жидкости и устройство для его осуществления», в описываемых вариантах (даже в наиболее предпочтительном варианте) реализуемо в наименее генерирующем тепловую энергию исполнении. Отсутствие лопаток приводит к минимизации возможного приращения как потенциального, так и динамического напора. Приращение гидравлической энергии в описываемых в патенте вариантах возможно только за счет центробежных сил, обусловленных угловой частотой вращения колеса. Причем основной доминирующий фактор движения среды в колесе и главную роль в процессе роста потенциального напора в устройстве будет играть подпор, создаваемый внешним источником гидравлической энергии. Им может являться насос - осевой, вихревой или объемный большой производительности, работающий по бустерной схеме, так как предложенное техническое решение согласно изобретению, трактующееся как насос, насосом не является, и к тому же свойством самовсасывания не обладает. Следовательно, одним из главных недостатков технического решения устройства по патенту Российской Федерации №2150055 «Способ нагревания жидкости и устройство для его осуществления» является необходимость применения в нем специального насосного агрегата для создания напора в системе. Причем повышенная производительность бустерного насоса на входе в систему обусловлена тем, что в кольцевой полости устройства, так называемом (согласно патенту №2150055) рабочим колесом, при перемещении обрабатываемой среды возникающая циркуляция и противотоки создают сопротивления, уменьшающие производительность и напор в системе. Тогда, в соответствии с вышеизложенным, полный гидродинамический напор на выходе из системы будет являться суммой потенциального напора, зависящего от величины окружной скорости на переферии колеса и минимизированного скоростного напора, обусловленного падением абсолютной скорости в связи с циркуляцией потока в колесе. Причем сравнение центробежного и рабочего (описанного в патенте Российской Федерации №2150055, «Способ нагревания жидкости…») колес при равенстве наружных диаметров показывает относительное преимущество первого, так как полный гидродинамический напор у центробежного выше из-за относительно высокой величины абсолютной скорости на выходе (периферийной поверхности колеса), отсутствия сопротивлений на выходе и минимизированных по величине противотоков и циркуляции, то есть относительно высокого КПД динамической центробежной машины и, соответственно, более высокого КПЭ при использовании ее как теплогенератора.
Все это характеризует данное устройство как не в достаточной мере соответствующим своему предназначению - генераторам тепловой энергии, требует корректировки конструктивной схемы и подбора среды для реализации решения.
Установка в полость рабочего колеса (по патенту №2150055) лопаточной решетки не ревизирует указанные недостатки в описываемом патенте. Количество отверстий на торце колеса значительно больше, чем число возможных лопаток в центробежных машинах (см. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы. М.: Машгиз, 1960. - 463 с.; см. также: Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. - М. - Л.: Машиностроение, 1966. - 364 с.; см. также: Проскура Г.Ф. Гидродинамика турбомашин. - Киев: Машгиз, 1954. - 417 с., а также Проскура Г.Ф. Вихревая теория центробежных насосов. - Харьков: Техиздат, 1931. - 40 с.). Анализ соотношений и зависимостей между радиусом периферийной поверхности рабочего колеса, оборотами ротора и количеством выходных отверстий, сформированных на торцевой поверхности колеса, показывает, что при соблюдении главных размерений для типовых центробежных турбомашин, число перемычек, формирующих отверстия в пределах одной межлопаточной зоны, может превышать число лопаток рабочего колеса в два и более раза. Следовательно, для рабочего колеса, по описываемому патенту, из-за стеснения межлопаточной зоны, имеет место падение напора и, соответственно, производительности. Данный факт также прослеживается и из основного уравнения Л.Эйлера для лопастного колеса турбомашин, связывающего напор с абсолютной и окружной скоростями на выходе из колеса (при условии безударного входа потока на колесо). В таком случае последовательное соединение рабочих колес для данной системы не эффективно и возможности создания кавитационных процессов в следующих, по порядку следования колес от входа до выхода из системы, становится проблематичным.
Кроме того, возбуждение колебаний при вращении колеса в устройстве возможно, но при этом частота колебаний будет лежать в зоне ультразвуковых волн. Это связано с тем, что данное устройство предназначено для использования как ультразвуковой активатор и может работать (как реализованная в промышленности конструкция) в воздушной среде в противовес кавитаторам, генерирующим тепловую энергию в жидкостной среде.
С учетом вышесказанного ясно, что данное устройство по патенту Российской Федерации №2150055, «Способ нагревания жидкости…» не работает эффективно в кавитационном режиме и не может быть предназначено для использования в качестве генератора тепловой энергии с высоким градиентом температур между входом и выходом из системы.
Известно также техническое решение по патенту Российской Федерации №2159901 «Роторный насос-теплогенератор» авторов: Петракова А.Д.; Санникова С.Т.; Яковлева О.П., кл. F24J 3/00, F25B 30/00, опубл. 27.11.2000 (аналог), предназначенное к использованию в качестве теплового генератора путем интенсификации процесса нагрева жидкости за счет увеличения частоты гидравлических ударов и обеспечения устойчивой гидродинамической кавитации. При этом кавитация возникает посредством торможения струй при дросселировании их через насадки, сформированных в виде сопел Вентури.
Задача интенсификации нагрева рабочей среды, по описанию патента, достигается тем, что в роторном двухпоточном насосе-теплогенераторе, содержащем корпус-диффузор с патрубком для подвода и патрубком для отвода жидкости, расположено двухпоточное рабочее колесо, выходная цилиндрическая часть которого по окружности перекрыта кольцевым ротором, несущим ряд круглоцилиндрических насадок в виде сопел Вентури. На расчетном расстоянии от выходного сечения колеса коаксиально расположен кольцевой замкнутый статор, в котором также сформированы развернутые в радиальном направлении насадки в виде сопел Вентури, с резким ступенчатым расширением выходной (периферической) части цилиндра.
Цилиндрическая форма отверстий насадок ротора обеспечивает возникновение кавитационных процессов в пристеночной зоне сопел при входе потока в насадок и резкого снижения давления ниже давления водяных паров, приводящего к интенсивному выделению пузырьков. По мере перемещения по длине сопла Вентури транзитной струи от входа к периферии давление возрастает по сечению потока и схлопывание пузырьков приводит к первой волне заброса давлений и выделения температуры в обрабатываемой среде. При дальнейшем повороте ротора и перекрытии сопел внутренней зоны стенками статора в транзитном потоке резко возрастает давление вследствие прямого гидравлического удара, что приводит также к схлопыванию кавитационных пузырьков и дополнительному выделению тепла. При совпадении осей сопел, транзитный поток, проходя через насадок Вентури в статоре, вследствие резкого расширения поперечного сечения и местной потери напора, вызывает рост кавитации и генерирование тепла. По описанию патента Российской Федерации №2159901 «Роторный насос-теплогенератор» вариацией расхода обрабатываемой среды, а также давлением на входе и выходе из устройства может быть создан автоколебательный режим работы системы, что (по идее авторов) предполагает снижение энергозатрат в системе при возрастании скорости нагрева обрабатываемой среды.
Предложенное техническое решение и его реализация требует энергозатрат для поддержания в системе автоколебательного режима, то есть наличия дополнительных агрегатов для прокачки обрабатываемой среды и оптимизации необходимых рабочих характеристик на входе в систему. Аналогично, требование вариации давления на выходе из системы также требует наличия специальных устройств для осуществления регулирования указанным параметром, наличие которого (см. патент №2159901 «Роторный насос-теплогенератор») оговорено в описании к изобретению. В целом для поддержания и регулировки самой системы теплогенератора требуются как энергозатраты, так и наличие прямой и обратной связи системы с управляющей ЭВМ. В совокупности поставленная задача авторами изобретения патента №2159901 «Роторный насос-теплогенератор … создание более простого устройства…» не реализовывается в рамках описываемого технического решения.
Кроме того, вся система теряет работоспособность при относительном перемещении осей насадок Вентури относительно друг друга вследствие выхода ее из автоколебательного режима. Требуется автоматическая переналадка и подстройка системы к режиму, являющемуся оптимальным и наиболее экономичным для предложенного решения.
Известно также техническое решение по патенту РФ 2061195, «Способ тепловыделения в жидкости», кл. 6 F24J 3/00, близкое по назначению к заявляемому патенту, в котором эффективное тепловыделение в жидкости обеспечивается интенсификацией кавитационного процесса путем создания газовой подушки и автоколебательного процесса с изменением ее объема и давления жидкости. Недостатком рассматриваемого способа является сложность регулирования процесса, требующего применения ЭВМ. Использование в качестве кавитатора центробежной форсунки снижает долговременность работы устройства из-за разрушения ее кавитационной эрозией. Кроме того, к недостаткам известного аппарата также относится нестабильность характеристик процесса кавитации, трудность управления и поддержания рабочих параметров для обеспечения режимов его функционирования в рамках требования технологического задания.
Наиболее близок по своему техническому решению к заявляемому изобретению патент Российской Федерации №2054604 «Способ получения энергии», автор Кладов А.Ф. (кл. F24J 3/00, G21B 1/00, заявка №93033524/25, дата подачи заявки - 02.07.1993, опубл. 20.02.1996, прототип), в котором процесс увеличения тепла в предлагаемом кавитационном агрегате связан с воздействием на перекачиваемое вещество переменным и постоянным давлением.
Устройство по патенту №2054604 «Способ получения энергии» содержит две или более соединенные последовательно рабочие камеры, в каждой из которых установлены рабочие колеса центробежного насоса с закрепленными на периферии роторами в виде перфорированных колец. Коаксиально роторам в корпусах рабочих камер напротив каждого ротора закреплен статор, выполненный в виде перфорированного кольца. В совокупности, согласно изобретению, последовательное соединение рабочих камер и колес, с закрепленными на их периферии перфорированными кольцами-роторам и кольцевыми статорами с радиальными отверстиями, представляет ультразвуковой активатор. Рабочие камеры сообщены между собой посредством диффузоров. Последняя рабочая камера соединена с первой камерой циркуляционным контуром. По описанию патента обрабатываемое вещество, например воду, подают в ультразвуковой активатор, и в процессе вращения рабочее колесо центробежного насоса сообщает ей кинетическую энергию, которая частично преобразуется в статическое давление в каналах направляющего аппарата (диффузора, который в патенте не показан), а частично в переменное давление - при прохождении отверстий перфорированного кольцевого ротора отверстий перфорированного статора.
В зависимости от выбранной жидкости, ее температуры и расчетных величин статического и переменного давлений, удовлетворяющих указанной выше зависимости, устанавливают и поддерживают конструктивные и технологические параметры ультразвукового активатора.
Согласно приведенному описанию в патенте №2054604 в течение действия на жидкость полупериода отрицательной полуволны переменного давления в жидкости, находящейся в зоне обработки, образуются кавитационные пузырьки. В течение действия на жидкость следующего полупериода положительной полуволны переменного давления кавитационные пузырьки сжимаются. К концу этого полупериода пузырьки запасают кинематическую энергию, определяемую разностью давлений, действующих на пузырьки снаружи и изнутри. Снаружи на пузырьки действует сумма переменного и статического давлений. Внутри пузырьков действует давление насыщенных паров жидкости. Кроме того, на движение пузырьков оказывают влияние и другие силы, определяемые физико-химическими свойствами жидкости, как и абсолютными значениями заявляемых выходных параметров.
В момент захлопывания пузырьков кинетическая энергия преобразуется в энергию столкновения элементарных частиц (по описанию патента №2054604). Энергия, выделяющаяся при захлопывании пузырька, на несколько порядков превышает энергию связи элементарных частиц (нуклонов) в ядре. В результате столкновения ядер в условиях заявляемого способа происходит взаимодействие между элементарными частицами, составляющими ядра. Энергия, выделяющаяся в управляемых описанным способом реакциях между элементарными частицами, преобразуется в тепловую энергию в жидкости, и ее отводят из зоны обработки с потоком рабочего вещества.
К основным недостаткам устройства по патенту №2054604 «Способ получения энергии» является возникновение больших осевых усилий, направленных в сторону всасывающего штуцера, переменных по величине, а также отсутствие в проточной части узла разгрузки для их компенсации. Вследствие этого данное устройство, в приведенной компоновке, может применяться только как ультразвуковой активатор при работе в воздушной среде ввиду существенной разницы между гидродинамическими и аэродинамическими силами. Кроме того, как известно из многолетних исследований корусно-секционных турбомашин, не имеющих продольного разъема, их сборка должна осуществляться при проведении поэлементной балансировки деталей проточной части, детерминизма распределения на валу лопастных колес, обеспечения взаимной центровки сопрягаемых деталей (см. Алиев Н.А. Развитие научных основ создания корпусно-секционных шахтных насосов повышенной долговечности / Диссертация доктора технических наук: 05.06.06. - Д., 2006. - 375 с.; см. также: Алиев Н.А. Детерминизм распределения неуравновешенных масс ротора как основа снижения вибронагруженности корпусно-секционных насосов при сборке // Проблеми експлуатацiї обладнання шахтних стацiонарних установок: Збiрник наукових праць. - Донецк: НИИГМ им. М.М.Федорова, 2004. - Вип. 99. - С.101-117). Соответственно, работа приведенного устройства может быть обеспечена исключительно при высокой технологии изготовления и сборке только на начальной стадии (при наличии разгрузочного узла) и химико-термических методов упрочнения деталей проточной части.
Кроме того, компоновка рабочих колес, с закрепленными на периферии роторами, коаксиальной установкой напротив каждого из них кольцевого статора с перфорацией, нарушает условие непрерывной и последовательной транспортировки рабочей среды между ступенями агрегата вследствие нарушения функциональных соотношений уравнения неразрывности. Это, в свою очередь, делает конструкцию неработоспособной при постоянстве наружных диаметров рабочих колес, вплоть до полной потери напора и, соответственно, стабильности условий возникновения кавитационных процессов с генерацией тепла. Изменение же наружных диаметров рабочих колес в сторону увеличения требует взаимоувязки геометрии каждой лопаточной решетки колеса, лопаточной решетки направляющего аппарата и обратного лопаточного диффузора корпуса ступени собой. В свою очередь, это требует наличия в технологическом процессе сборки цикла предсборочной подготовки по позиционированию и упорядочению каждой ступени с колесом строго в определенное место на валу агрегата, дополнительных энергозатрат.
В совокупности предложенное решение по патенту №2054604 «Способ получения энергии» нетехнологично как при производстве его элементов, так и при предсборочной подготовке и сборке, громоздко при наладке и эксплуатации. Все это в целом не предполагает возможность его использования как источника генерации тепла без применения органического топлива, так и широкого внедрения в теплоэнергетическую отрасль.
Анализ аналогов и основного прототипа позволяет сделать вывод о том, что в данных изобретениях не достаточно эффективно решена задача генерации тепла посредством использования кавитационных и колебательных процессов в обрабатываемой среде.
Кроме того, применение их в качестве генераторов альтернативного тепла в циркуляционных системах отопления не целесообразно, так как они энергоемки, громоздки и сложны в эксплуатации.
Сведения, раскрывающие сущность изобретения.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования работы тепловых кавитационных генераторов путем стабилизации и повышения интенсивности и энергонасыщенности кавитационных потоков обрабатываемых реологических сред, в том числе и воды. Техническим результатом предлагаемого конструктивного решения теплового генератора является высокая стабильность рабочих характеристик кавитационных процессов, повышение интенсивности процесса тепловыделения за счет увеличения количества очагов генерирования кавитации и гидравлических ударов на встречных потоках обрабатываемой среды с одновременной минимизацией энергетических затрат на привод системы и упрощением управления агрегатом.
Поставленная задача решается тем, что в тепловом кавитационном генераторе, состоящем из ротора, сформированного последовательной установкой центробежных и кавитационных колес полуоткрытого типа, направляющих аппаратов с лопаточной решеткой, корпусов с обратным лопаточным диффузором, крышек всасывания и нагнетания, кронштейнов с опорными узлами, кавитационные колеса выполнены в виде перфорированного коноидально-цилиндрическими соплами диска, с радиально-лучевыми лопатками, обрамленными с торца цилиндрическим перфорированным ободом, направляющий аппарат кавитационной ступени выполнен с перфорацией в межлопаточной зоне, а подпор на кавитационную ступень создается конической сопловой насадкой, установленной на выходе потока обрабатываемой среды из обратного лопаточного диффузора корпуса предкавитационной ступени. При этом суммарный прирост температур обрабатываемой среды в заданном временном интервале и давление в циркуляционном контуре системы формируется групповым сочетанием центробежных и кавитационных колес на роторе в блоке преобразования энергии.
Такое техническое решение теплового кавитационного генератора, сформированного посредством установки центробежного колеса на всасывание обрабатываемой среды из ресивера (подающего трубопровода циркуляционного контура или кавитационного бака), преобразующего энергию вращения вала в гидродинамический напор, части кинетического напора в потенциальный в направляющем аппарате ступени и диффузоре корпуса, закрутки потока посредством конической сопловой насадки, встроенной в лопаточный диффузор корпуса и подачей его на лопаточную (осевую) решетку кавитационного колеса с перфорированным коренным диском, позволяет получить увеличение количества очагов генерирования кавитации и гидравлических ударов на встречных потоках струй, дросселирующихся через коноидально-цилиндрические сопла перфорации, что приводит к скачкообразному росту температурного градиента в ступени.
Кроме того, такое техническое решение теплового кавитационного генератора в зависимости от требуемого уровня теплового градиента и относительной скорости роста температуры в заданном временном интервале позволяет формировать его последовательным сочетанием центробежных и кавитационных колес в ступени, их группировкой в блоке преобразования энергии, а также вариацией количества таких блоков, с осуществлением эффективного и целенаправленного преобразования механической энергии в тепловую в соответствие, с требованием и функциональным назначением потребителя.
В зависимости от указанных требований на валу ротора теплового кавитационного генератора могут быть установлены один, две (или несколько) блоков центробежных и кавитационных колес, последовательно или с группировкой их по рабочим функциям, в том числе кавитационный блок между центробежными колесами - всасывающим и нагнетательным, или центробежный блок, состоящий из двух или нескольких рабочих колес на всасывании, с кавитационными колесами, состоящими из нескольких таких колес на нагнетании.
При необходимости для увеличения температуры циркуляционного контура набор из двух и более кавитационных колес, расположенных в блоке на валу агрегата последовательно, позволяет создавать совокупный прирост температур обрабатываемой среды, пропорциональный градиенту температуры каждого из колес.
Необходимость увеличения давления в системе, посредством которой осуществляется теплоснабжение объекта в предложенном тепловом генераторе, может быть реализована путем установки двух или более центробежных колес последовательно после блока кавитационных колес, что позволяет преодолевать сопротивление циркуляционной системы с необходимым приростом давления.
Вариация температуры или градиента температурных полей по секциям в тепловом генераторе может быть осуществлена путем изменения диаметра цилиндрического канала коноидально-цилиндрических сопел, формообразующих перфорацию кавитационного колеса, а также вариацией числа колес или толщины диска колеса и, соответственно, длины пути дросселирования обрабатываемой среды. Вариацией диаметра цилиндрического канала сопла перфорации направляющего аппарата кавитационной ступени, как и раствором его коноидальных частей также можно осуществлять изменение интенсивности процесса тепловыделения в узле кавитатора. При соответствующем перепаде между входным и выходным раструбами, формирующими сопла, удается добиться активизации процесса кавитации, которая напрямую зависит от скорости потока жидкой среды через тепловой генератор, а также от наличия в нем зон с пониженным давлением, то есть от геометрии отверстий перфорации, при наличии в них внезапно расширяющихся участков.
Приведенные признаки, характеризующие изобретение, являются существенными, так как в совокупности достаточны для обеспечения работоспособности и достижения решаемой технической задачи, а каждый в отдельности необходим для идентификации и отличия заявляемого теплового кавитационного генератора от известных в технике аналогичных решений.
Таким образом, новая совокупность общих (известных) и отличительных (новых) от прототипа существенных признаков, которыми характеризуется тепловой кавитационный генератор, является достаточной во всех случаях, на которые распространяется объем правовой защиты, так как решает поставленную задачу.
Обозначенные признаки, характеризующие изобретение, не являются обязательными, но, по мнению заявителя, являются лучшими и не исключают возможности иного конкретного эквивалентного выполнения теплового генератора в пределах указанной сущности изобретения.
Причинно-следственная связь отличительных (новых) признаков при их взаимодействии с известными (общими) признаками в обеспечении новых свойств объекта изобретения, обусловленных поставленной технической задачей, заключается в следующем.
В связи с тем, что в тепловом кавитационном генераторе проточная часть сформирована путем последовательной установки центробежных и кавитационных перфорированных колес на роторе агрегата, с радиально-лучевыми (осевыми) лопатками, обрамленных по торцу цилиндрическим перфорированным ободом, а направляющий аппарат кавитационной ступени выполнен с перфорацией в межлопаточной зоне, с созданием подпора на кавитационную ступень конической сопловой насадкой из лопаточного диффузора корпуса предкавитационной ступени, то созданы условия роста числа очагов генерирования кавитации и гидравлических ударов с обеспечением скачкообразного увеличения температурного градиента в ступени, создания условий интенсивного роста температуры обрабатываемой среды с одновременной циркуляцией ее в контуре.
Кроме того, такое техническое решение теплового кавитационного генератора позволяет варьировать температурой, давлением и скоростью перемещения обрабатываемой среды как путем изменения геометрии сопел колес и направляющих аппаратов, так и последовательным сочетанием блоков центробежных и кавитационных колес, а также их места расположения на роторе. Такой уровень мобильного изменения рабочих параметров теплового генератора посредством смены колес, их количества и места установки на роторе агрегата характеризует предложенное решение легко адаптируемым к требуемым условиям работы циркуляционного контура, а также характеризует систему удобной в управлении и эксплуатации.
Для снижения эрозионного воздействия кавитации на проточную часть агрегата кавитационные процессы организованы в центральной части агрегата с созданием вихревого потока жидкости на периферии от корпусных элементов агрегата.
Использование предлагаемого кавитационного теплового генератора позволяет обеспечить горячей водой и тепловой энергией объекты, удаленные от магистральных трубопроводов, при этом окружающая среда не загрязняется продуктами сгорания органического топлива в местах выработки тепловой энергии.
В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием примера конкретного выполнения его лучшего варианта со ссылками на прилагаемые чертежи.
Перечень чертежей изобретения
На фиг.1 изображен тепловой кавитационный генератор, общий вид, поперечный разрез; ротор генератора сформирован последовательной установкой на валу центробежных колес на всасывании и нагнетании, при размещении кавитационного перфорированного колеса между ними. Монтаж колес с направляющими аппаратами и их лопаточной решеткой произведен в цилиндрическом корпусе с обратным лопаточным диффузором, а силовое замыкание конструкции выполнено посредством крышек всасывания и нагнетания, стянутых анкерными шпильками, и вынесенными за зону термического воздействия кронштейнов с опорными узлами.
На фиг.2 изображен тепловой кавитационный генератор, вид на кавитационный блок, поперечный разрез; элементы кавитационной ступени выполнены в виде перфорированного диска с коноидально-цилиндрическими соплами и радиально-лучевыми (осевыми) лопатками, обрамленными по торцу цилиндрическим перфорированным ободом; при этом направляющий аппарат кавитационной ступени выполнен с перфорацией в межлопаточной зоне, а подпор на кавитационное колесо создается конической сопловой насадкой, установленной на выходе потока обрабатываемой среды из обратного лопаточного диффузора корпуса предкавитационной, центробежной ступени.
На фиг.3 изображен тепловой кавитационный генератор, вид на кавитационный блок с увеличенным температурным полем; вид на проточную часть агрегата, при этом кавитационный блок скомпонован из двух или более кавитационных колес с перфорированными направляющими аппаратами, расположенными между центробежными ступенями с колесами на всасывании и нагнетании в циркуляционный контур.
На фиг.4 изображен тепловой кавитационный генератор, вид на кавитационный блок и центробежную ступень с увеличенным давлением на нагнетании в циркуляционном контуре; при этом кавитационный блок скомпонован из двух (или более) кавитационных колес с перфорированными направляющими аппаратами, расположенными между центробежными ступенями с двумя (или большим числом) колес на всасывании и нагнетании в циркуляционный контур.
Перечень обозначений и наименований элементов изобретения
1. Вал
2. Крышка всасывания
3. Крышка нагнетания
4. Корпус ступени генератора
5. Диффузор лопаточный, корпуса ступени
6. Цилиндрический участок сопряжения корпусов
7. Уплотнение межступенное
8. Направляющий аппарат центробежной ступени
9. Лопаточная решетка направляющего аппарата центробежной ступени
10. Колесо центробежное, радиальное, на всасывании
11. Колесо центробежное, радиальное, обрезное, на нагнетании
12. Колесо кавитационное, перфорированное
13. Лопатка колеса кавитационного
14. Сопло коноидально-цилиндрическое, перфорации колеса кавитационного
15. Раструб коноидальный, входной, сопла перфорации колеса кавитационного
16. Раструб коноидальный, выходной, сопла перфорации колеса кавитационного
17. Канал цилиндрический сопла, перфорации колеса кавитационного
18. Коническая сопловая насадка
19. Кронштейн передний
20. Кронштейн задний
21. Направляющий аппарат кавитационной ступени с перфорацией
22. Обод цилиндрический перфорированный.
Сведения, которые подтверждают возможность осуществления изобретения
Описанное выше техническое решение теплового кавитационного генератора позволяет формировать стабильную и постоянную по величине генерацию тепловыделения в агрегате за счет развития многочисленных кавитационных очагов и гидравлических ударов в обрабатываемой среде, дросселирующуюся через коноидально-цилиндрические сопла, что приводит к скачкообразному росту температурного градиента в ступени, повышению интенсивности, а также энергонасыщенности кавитационных потоков с минимизацией энергозатрат на привод системы и поддержание рабочих характеристик процесса.
Тепловой кавитационный генератор (фиг.1) содержит вал 1, крышки всасывания 2 и нагнетания 3, цилиндрические корпуса 4, формирующие ступени генератора и несущие на внутренней торцевой поверхности стенки лопатки диффузора 5, с центровкой и посадкой каждой секции между собой посредством цилиндрических расточек 6, с герметизацией внутренней полости теплогенератора уплотнениями 7.
Внутренняя цилиндрическая поверхность корпуса 4 является опорой внешнего цилиндра направляющего аппарата 8 с лопаточной решеткой 9, посредством которой поток обрабатываемой среды передается на диффузор корпуса 5 и далее в следующую ступень теплового генератора.
Ротор теплового кавитационного генератора сформирован путем последовательной установкой центробежных, радиальных рабочих колес 10 на всасывании, а на нагнетании - обрезного колеса 11 (фиг.1), проточная часть и лопаточная решетка которых соответствует расчетным параметрам и условиям работы циркуляционного контура обогреваемой системы, а также перфорированного кавитационного (кавитационных) колеса 12.
Кавитационное перфорированное колесо 12 представляет собой диск с радиально-лучевыми лопатками 13 - осевое колесо полуоткрытого типа (фиг.2), коренная часть которого в межлопаточной зоне сформирована коноидально-цилиндрическими соплами 14 с максимально возможным количеством их в межлопаточной зоне. Собственно коноидально-цилиндрическое сопло образовано входным 15 и выходным 16 - коноидальными раструбами, соединенными между собой цилиндрическим каналом 17. Работоспособность теплового кавитационного генератора, как и его КПЭ, напрямую зависит от общего числа сопел 14 на кавитационном колесе 12, а также жесткостных параметров системы и стабильности геометрических зазоров в процессе эксплуатации агрегата. Организующим фактором, обеспечивающим эффективную работу теплового генератора по жесткостным показателям и стабилизацию зазоров в процессе работы агрегата является минимизация отклонения действительной оси вала 1 агрегата от его геометрического прототипа и продольно-поперечных вибросмещения элементов проточной части. Учитывая, что конструктивно-технологическое исполнение теплового генератора в виде последовательно сопряженных корпусов 4 предопределяет секционную гибкость сборочной системы, важным фактором работы теплового генератора является организация равновеликости и концентричности радиальных зазоров по концевым уплотнениям, торцевых зазоров между лопатками колеса и торцем конической сопловой насадки 18 (фиг.2), создающего подпор на кавитационном колесе 12. Такие требования по равновеликости и постоянстве зазоров для теплового генератора предопределяют вынос опорных узлов за пределы рабочего поля агрегата, специальные технологические мероприятия при организации инструментальной обработки кронштейнов переднего 19 и заднего 20, а также особенности конструктивного исполнения подшипниковых узлов для исключения влияния на них температурного режима машины. Кроме того, выносные опорные узлы, размещенные в цилиндрических консолях кронштейнов 19 и 20, позиционирующие вал 1 при сборке агрегата в горизонтальной и вертикальной плоскостях, должны обеспечивать строгую соосность осей подшипников, что также является гарантией равновеликости зазоров и постоянства расстояния между встречными потоками струй, проходящих через сопла. При этом для таких динамических турбомашин - тепловых кавитационных генераторов равновеликость зазоров на весь срок эксплуатации, минимизация технологических несовершенств и вибронагруженности гарантируется при динамической балансировке колес и элементов проточной части агрегата на эксплуатационных оборотах с детерминированной сборкой (см. Алиев Н.А. Исследование вынужденных колебаний роторов корпусно-секционных машин динамического действия // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сборник научных трудов. - Донецк, 2004. - Вып. 27. - С.3-11; см. также: Алиев Н.А. Вибродиагностика корпусно-секционных насосов с прогнозируемым распределением неуравновешенных масс ротора / Науковi працi Донецького Нацiонального Технiчного Унiверситету. - Донецьк, 2004. - Вип. 83. - С.225-235; см. также: Алиев Н.А. Детерминизм распределения неуравновешенных масс ротора как основа снижения вибронагруженности корпусно-секционных насосов при сборке // Проблеми експлуатацiї обладнання шахтних стацiонарних установок: Збiрник наукових праць. - Донецк: НИИГМ им. М.М.Федорова, 2004. - Вип. 99. - С.101-117).
Количество лопаток 13 на кавитационном колесе 12 напрямую зависит от технических требований по производительности системы и связано с выполнением условия неразрывности потока при прохождении его через диффузор корпуса 4 предкавитационной ступени. Учитывая, что на радиально-лучевой (осевой) лопаточной системе напор в два, а в некоторых случаях и в три раза превышает напор относительно центробежной ступени с цилиндрическими лопатками, при равенстве наружных диаметров колес, то часть потока, не прошедшая через систему коноидально-цилиндрических сопел 14 на кавитационном перфорированном колесе 12, транспортируется через направляющий перфорированный аппарат 21 навстречу струям, прошедшим через систему перфорации кавитационного колеса 12. Такое исполнение кавитационной ступени приводит к возникновению на встречных струях гидравлических ударов и автоколебательного режима работы узла, что также вызывает дополнительную турбулентность между кавитационным колесом 12 и направляющим аппаратом 21 с увеличением генерации тепла.
На фиг.2 изображен тепловой кавитационный генератор, вид на кавитационное перфорированное колесо 12, состоящее из перфорированного диска с радиально-лучевыми (осевыми) лопатками 13, обрамленными по периферии цилиндрическим перфорированным ободом 22. Направляющий аппарат 21 кавитационной ступени выполнен с перфорацией в межлопаточной зоне, а подпор на кавитационом колесе создается сопловой конической насадкой 18, смонтированной на выходе потока обрабатываемой среды из лопаточного диффузора корпуса 4 предкавитационной центробежной ступени. Перфорацию кавитационного колеса 12 образуют коноидально-цилиндрические сопла 14, сформированные входным 15 и выходным 16 - коноидальными раструбами, диаметры которых выбраны из условия неразрывности потока по сечению сопла, но с расширением выходного участка относительно входного и соединенных между собой цилиндрическим каналом 17.
На фиг.3 изображен тепловой кавитационный генератор, разрез по проточной части агрегата, при возможном исполнении агрегата с повышенным температурным полем на выходе из системы.
С этой целью кавитационный блок скомпонован из двух кавитационных перфорированных колес 12, с перфорированными направляющими аппаратами 21, расположенными между центробежными ступенями с колесами - на всасывании 2 и нагнетании 3 в циркуляционный контур.
На фиг.4 приведено сечение по проточной части теплового кавитационного генератора, скомпонованный из двух кавитационных перфорированных колес 13, образующих тепловой блок, и центробежной ступени с увеличенным давлением на нагнетании в циркуляционный контур. Для реализации требования повышения давления в системе на нагнетании установлены два центробежных рабочих колеса 3, что приводит к росту давления при входе в циркуляционный контур.
Такое техническое решение теплового кавитационного генератора позволяет формировать проточную часть агрегата в зависимости от требований режима рабочей установки по термонагруженности и давлению путем вариации числа кавитационных и центробежных ступений на всасывании и нагнетании. При этом температурный градиент и изменение интенсивности процесса тепловыделения в кавитационной ступени (при прочих равных условиях) варьируется изменением диаметров цилиндрической части сопел, толщины диска кавитационного колеса, разницей раструбов коноидальных входного и выходного участков, а также посредством изменения диаметра цилиндрического канала сопел перфорации направляющего аппарата кавитационной ступени. При этом перепад или сужение между входным и выходным раструбами, формирующими сопла, активизирует процесс кавитации и приводит к росту температурного градиента в кавитационной ступени.
Универсальность заявляемого технического решения теплового генератора, его адаптация к внешнему источнику-потребителю, оперативность управления, а также оптимизация работы и надежность агрегата, как динамической системы, напрямую связана с возможностью формировать его ротор последовательно, из центробежных и кавитационных перфорированных колес в ступени, перегруппировке их в блоке преобразования энергии с вариацией общего количества блоков агрегата в зависимости от технических требований рабочего потребителя.
Тепловой кавитационный генератор, предназначенный в качестве автономной системы, осуществляющей преобразование механической энергии в тепловую в локально-замкнутых системах теплоснабжения, без применения органического топлива или с использованием в технологических процессах, требующих нагревания обрабатываемых сред, работает следующим образом.
Тепловой кавитационный генератор посредством всасывающего штуцера, приемного патрубка и клапана встраивается в циркуляционный контур или ресивер для забора обрабатываемой среды и подачи ее в проточную часть агрегата. Проточная часть теплового генератора сформирована из центробежной ступени с радиальным колесом, направляющего аппарата, в котором скоростной напор переводится в статическое давление и обратного лопаточного диффузора корпуса ступени, на выходе которого установлена сопловая коническая насадка. При прохождении потока обрабатываемой среды через сопловую коническую насадку, за счет изменения площади ее сечения резко увеличивается скоростной напор на выходе из насадки, и поток, попадая на диск кавитационного колеса, дросселируется через коноидально-цилиндрические сопла, расположенные в межлопаточной зоне и организующие перфорацию кавитационного колеса. На диске кавитационного колеса сформированы радиальные (осевые) лопатки, которые выполняют роль элементов, сообщающих дополнительную кинетическую энергию потоку, не прошедшему через коноидально-цилиндрические сопла, и направляет его в аппарат кавитационной ступени. Торцы радиальных (осевых) лопаток обрамлены по периферии цилиндрическим перфорированным ободом, создающим сопротивление потоку, не прошедшему через диск колеса.
Скорость истечения струй из коноидально-цилиндрических сопел и возникновение кавитационных процессов связана с перепадом между цилиндрическим каналом и выходным коноидальным раструбом сопла. При этом генерация тепловых точечных источников тепла прямо пропорциональна количеству таких сопел и разнице в диаметрах между цилиндрическим каналом и коноидальным раструбом сопла. При вращении кавитационного колеса избыточный поток, проходя через перфорированную решетку обрамляющего лопатки обода и попадая в напраляющий аппарат кавитационной ступени, создает на встречных струях, дросселирующихся из сопел колеса, циркуляционные, вихревые потоки, которые также вызывают возникновение кавитационных пузырьков, и генерируют тепловыделение в ступени.
Перемещение соплового дросселирующегося потока из кавитационного колеса и совпадение перемычек перфорации на направляющем аппарате кавитационной ступени формируют гидроудары в пространстве между вращающимся колесом и аппаратом, а также колебания, пропорциональные числу сопел на колесе и оборотам его вращения.
Совокупное воздействие колебания системы, гидроудары и кавитационные процессы, возникающие в коноидально-цилиндрических соплах, приводит к возникновению и генерированию очагов тепловыделения с возможностью получения постоянного температурного градиента в ступени. Уровень аномального тепловыделения в генераторе может варьироваться изменением диаметра цилиндрического канала коноидально-цилиндрических сопел, диаметром коноидальных раструбов, вариацией числа колес, толщиной диска и длиной пути дросселирования обрабатываемой среды, а также углом конуса сопловой насадки.
Изобретение не ограничивается описанными и показанными на чертежах вариантами реализации, но может быть изменено, модифицировано и дополнено в рамках объема, определенного формулой изобретения.
Изобретение проверено в процессе стендовых и эксплуатационных испытаний и результаты испытаний полностью подтвердили его техническую и экономическую эффективность, а также целесообразность широкого использования. Заявляемый тепловой кавитационный генератор может быть поставлен в серийное производство в заводских условиях и найдет широкое применение в системах теплоснабжения без использования органического топлива, теплофикации локальных стационарных объектов, а также технологических процессах, требующих прогрева рабочей среды, при гидроразрыве пласта.