ПРОТОЧНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ РОТОРНОГО ТИПА
IN-LINE HEATER OF ROTARY TYPE

Область техники
Изобретение относится к теплотехнике и может использоваться для нагрева жидкости для отопления и горячего водоснабжения стационарных и временно развернутых помещений любого назначения, не имеющих централизованных источников энергии, в т.ч. в походных или аварийных условиях.
Известный уровень техники
Известен проточный нагреватель роторного типа (см. патент RU № 2290573, М. кл. F24J 3/00, опубл. 27.12.2006 г.), содержащий привод в виде электродвигателя, теплогенератор, состоящий из статора в виде корпуса с крышкой, имеющего цилиндрическую полость, в которую с зазором установлен ротор, закрепленный на валу электродвигателя и выполненный в виде диска с рабочими поверхностями, снабженными глухими отверстиями, входного и выходного каналов для подвода и отвода жидкости. Жидкость во входной канал подается под давлением от источника давления. На внутренней рабочей поверхности корпуса статора и рабочей поверхности крышки выполнены глухие отверстия, расположенные оппозитно друг другу.
Недостатками известного проточного нагревателя являются невысокая эксплуатационная надежность из-за быстрого износа статора и диска ротора, а также недостаточная теплопроизводительность и значительные тепловые потери при работе нагревателя, обусловленные тем, что корпус статора не имеет тепловой изоляции, что приводит к дополнительным потерям тепла, вырабатываемого теплогенератором, в результате интенсивного охлаждения корпуса и крышки статора окружающим атмосферным воздухом.
Известен выбранный в качестве прототипа проточный нагреватель роторного типа (см. патент RU № 2347155, М. кл. F24J 3/00, опубл. 20.02.2009 г.), включающий электродвигатель и герметичную емкость с жидкостью, снабженную входным и выходным каналами и содержащую неподвижный корпус с цилиндрической полостью, связанной с герметичной емкостью и размещенной между оппозитно расположенными рабочими внутренними поверхностями корпуса, в которой размещен ротор в виде диска с рабочими поверхностями, установленный на валу электродвигателя, при этом на рабочих поверхностях диска и корпуса размещены элементы для генерирования процесса кавитации в рабочем объеме жидкости, заполняющей цилиндрическую полость. Элементы для генерирования процесса кавитации в рабочем объеме жидкости, размещенные на рабочих внутренних поверхностях корпуса и диска в виде радиальных рядов, выполнены в виде глухих отверстий, расположенных оппозитно друг другу.
Оснащение проточного нагревателя неподвижным корпусом с цилиндрической полостью, расположенным в герметичной емкости, заполненной жидкостью, обеспечивает тепловую изоляцию рабочего объема жидкости, который нагревается в цилиндрической полости за счет процесса кавитации. При этом герметичная емкость с жидкостью выполняет роль «водяной рубашки» для рабочего объема жидкости, содержащегося в цилиндрической полости, что предотвращает вынос тепла за счет теплопередачи из жидкости, нагреваемой в цилиндрической полости, в окружающую среду.
Недостатком известного проточного нагревателя является низкая эксплуатационная надежность, связанная с быстрым износом элементов для генерирования процесса кавитации в рабочем объеме жидкости, установленных на рабочих поверхностях корпуса и диска ротора.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание проточного нагревателя роторного типа, обладающего высокой теплопроизводительностью и надежностью, за счет повышения износостойкости узлов и элементов, обеспечивающих процесс генерирования кавитации.
i
i
i
Для решения поставленной задачи в известном проточном нагревателе роторного типа, включающем электродвигатель и герметичную емкость с жидкостью, снабженную входным и выходным каналами и содержащую неподвижный корпус с цилиндрической полостью, связанной с герметичной емкостью и размещенной между оппозитно расположенными рабочими внутренними поверхностями корпуса, в которой размещен ротор в виде диска с рабочими поверхностями, установленный на валу электродвигателя, при этом на рабочих поверхностях диска и корпуса размещены элементы для генерирования процесса кавитации в рабочем объеме жидкости, заполняющей цилиндрическую полость, согласно изобретению каждый элемент для генерирования процесса кавитации выполнен в виде сопла, тангенциально расположенного относительно оси вращения ротора и установленного на соответствующей рабочей поверхности диска на расстоянии (A) и на рабочей внутренней поверхности корпуса на расстоянии (A') от оси ротора, при этом величины (A) и (А'i) определяются следующими зависимостями:
1
i
1
0,1D≤A<0,55D,
2
i
2
0,1D≤A'<0,45D,
где
i
A - расстояние от оси вращения ротора до i-го сопла, установленного на рабочей поверхности диска, мм;
i
A' - расстояние от оси вращения ротора до i-го сопла, установленного на рабочей поверхности корпуса, мм;
1
D - диаметр рабочей поверхности диска, мм;
2
D - диаметр рабочей поверхности корпуса, мм.
i
i
Выполнение в качестве элементов для генерирования процесса кавитации сопел, установленных на рабочей поверхности диска на расстоянии (A) и на рабочей поверхности корпуса на расстоянии A' от оси ротора, определяемых вышеуказанными математическими зависимостями, и расположенных тангенциально относительно оси вращения ротора электродвигателя, позволяет стимулировать эффект трения жидкости между рабочими поверхностями вращающегося диска и рабочими поверхностями неподвижного корпуса, а также позволяет генерировать в указанных соплах процесс кавитации, приводящий к выделению большого количества тепла.
Процесс выделения тепла связан с физическим воздействием поля схлопывающихся кавитационных пузырьков. Выделение тепла происходит в каждом из сопел, расположенных как на рабочих поверхностях вращающегося диска, так и на рабочих поверхностях неподвижного корпуса, в результате преобразования потенциальной энергии пузырьков, накопленной ими в стадии роста (при вхождении в сопло), в кинетическую энергию ударных волн, выделяемую в стадии их схлопывания (на выходе из сопла). При этом кинетическая энергия ударных волн определяет интенсивность кавитации и величину выделяемого при кавитации тепла.
В частном варианте выполнения проточного нагревателя в центральной части корпуса нагревателя выполнено входное отверстие, связывающее герметичную емкость с цилиндрической полостью и расположенное в зоне оси вращения ротора. Размещение входного отверстия в зоне оси вращения ротора позволяет, во-первых, максимально увеличить путь прохождения жидкости под давлением и действием возрастающей центробежной силы в направлении от оси вращения ротора до выходного отверстия, тем самым увеличивая площадь трения жидкости о рабочие поверхности диска и рабочие поверхности корпуса, а следовательно, повысить эффективность нагрева жидкости. Во-вторых, при таком размещении отверстий входного и выходного каналов возникает эффект «продавливания» жидкости, что позволяет при наличии центробежных сил поддерживать в области зазора между рабочими поверхностями корпуса и рабочими поверхностями диска давление порядка 0,03-0,5 МПа (в зависимости от диаметра диска), необходимое для возбуждения в соплах, тангенциально расположенных относительно оси вращения ротора, процесса кавитации, что совместно с работой сил трения приводит к значительному повышению теплопроизводительности проточного нагревателя. В-третьих, при введении жидкости в нагреватель в зоне оси вращения ротора, то есть в области наибольшего разрежения из-за действующих на нагреваемую жидкость центробежных сил, обеспечивается прокачивание жидкости через проточный нагреватель без необходимости повышения давления на входе проточного нагревателя.
В частном варианте выполнения проточного нагревателя по меньшей мере одно сопло для генерирования процесса кавитации выполнено в виде сопла Лаваля. Это позволяет оптимизировать процесс кавитации в рабочем объеме жидкости, заполняющей цилиндрическую полость.
В иных возможных вариантах выполнения проточного нагревателя сопла размещены на каждой рабочей поверхности диска и/или на каждой рабочей поверхности корпуса в радиальном направлении. Это позволяет согласовать (уровнять) давление жидкости с противоположных сторон вращающегося диска, что благоприятным образом сказывается на эксплуатационных характеристиках нагревателя, в частности на его надежности.
Еще в одном варианте выполнения проточного нагревателя сопла для генерирования процесса кавитации размещены на смежных рабочих поверхностях диска и корпуса таким образом, что образуют пространственную шахматную структуру.
В ином варианте выполнения сопла для генерирования процесса кавитации размещены по меньшей мере на одной рабочей поверхности диска или корпуса по спирали Архимеда.
В частном варианте выполнения проточного нагревателя сопла размещены по меньшей мере на одной рабочей поверхности диска или корпуса в виде концентрических колец.
Техническим преимуществом предложенного изобретения является обеспечение высоких эксплуатационных показателей проточного нагревателя роторного типа за счет повышения его теплопроизводительности и надежности.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на Фиг. 1 изображен общий вид проточного нагревателя; на Фиг. 2 - сечение А-А Фиг. 1; на Фиг. 3 - сечение Б-Б Фиг. 1, на Фиг. 4 изображен диск ротора с радиальным расположением элементов для генерирования процесса кавитации; на Фиг. 5 - рабочая поверхность корпуса с радиальным расположением элементов для генерирования процесса кавитации; на Фиг. 6 изображено сопло Лаваля; на Фиг. 7 - вариант взаимного расположения сопел на рабочих поверхностях диска и корпуса с образованием пространственной шахматной структуры.
Проточный нагреватель роторного типа содержит электродвигатель 1, примыкающий к герметичной емкости 2 с жидкостью. Герметичная емкость 2 снабжена входным каналом 3 и выходным каналом 4, а также содержит неподвижный корпус 5 с цилиндрической полостью 6, связанной с герметичной емкостью 2. Цилиндрическая полость 6 размещена между оппозитно расположенными рабочими внутренними поверхностями 7 корпуса 5. В цилиндрической полости 6 на валу электродвигателя 1 установлен ротор, выполненный в виде диска 8 с рабочими поверхностями 9. На рабочих поверхностях 9 диска 8 и рабочих поверхностях 7 корпуса 5 размещены элементы для генерирования процесса кавитации в рабочем объеме жидкости, заполняющей цилиндрическую полость 6.
Каждый элемент для генерирования процесса кавитации выполнен в виде сопла 10, тангенциально расположенного относительно оси вращения ротора и установленного на соответствующей рабочей поверхности 9 диска 8 на расстоянии (А), которое определяется по следующей зависимости:
1
i
1
0,1D≤A<0,55D,
1
i
где D - диаметр рабочей поверхности 9 диска 8, мм. Каждый элемент для генерирования процесса кавитации, выполненный в виде сопла 10' , тангенциально расположен относительно оси вращения ротора и установлен на соответствующей рабочей поверхности 7 корпуса 5 на расстоянии (A') от оси ротора, которая определяется следующей зависимостью:
2
i
2
0,1D≤A'<0,45D,
2
где D - диаметр рабочей поверхности 7 корпуса 5, мм.
В центральной части корпуса 5 выполнено по меньшей мере одно входное отверстие 11, расположенное в зоне оси вращения ротора и связывающее герметичную емкость 2 с цилиндрической полостью 6. В свою очередь цилиндрическая полость 6 имеет по меньшей мере одно выходное отверстие 12, размещенное в периферийной зоне герметичной емкости 2.
В частном варианте выполнения проточного нагревателя по меньшей мере одно сопло 10 или 10' для генерирования процесса кавитации выполнено в виде сопла Лаваля (см. Фиг. 6).
В ином варианте выполнения проточного нагревателя сопла 10 или 10' размещены на каждой рабочей поверхности 9 диска 8 и/или на каждой рабочей поверхности 7 корпуса 5 в радиальном направлении (см. Фиг. 4 и Фиг. 5).
Еще в одном варианте выполнения сопла проточного нагревателя 10 и 10' размещены на смежных рабочих поверхностях диска 8 и корпуса 5 таким образом, что создают пространственную шахматную структуру (см. Фиг. 7).
В другом варианте выполнения проточного нагревателя сопла 10 или 10' размещены по меньшей мере на одной рабочей поверхности диска 8 или корпуса 5 по спирали Архимеда (см. Фиг. 2 и Фиг. 3).
Проточный нагреватель работает следующим образом.
При включении электродвигателя 1 начинает вращаться ротор, выполненный в виде диска 8 с рабочими поверхностями 9, что обеспечивает создание разрежения во входном отверстии 11. Входное отверстие 11 расположено в зоне оси вращения ротора и связывает герметичную емкость 2 с цилиндрической полостью 6, размещенной между оппозитно расположенными рабочими внутренними поверхностями 7 корпуса 5.
За счет созданного разрежения жидкость из герметичной емкости 2 поступает в цилиндрическую полость 6, в которой приводится во вращательное движение в результате вращения диска 8. При этом поток жидкости под воздействием центробежных сил, действующих в цилиндрической полости 6, отжимается к ее периферии, где расположены выходные отверстия 12, через которые нагретая жидкость выводится из цилиндрической полости 6 в герметичную емкость 2.
Процесс кавитации, приводящий к выделению большого количества тепла, связан с прохождением жидкости через сопла 11, генерирующие процесс кавитации в рабочем объеме жидкости, заполняющей цилиндрическую полость 6.
Выделение тепла происходит в каждом из сопел 10 или 10', расположенных как на рабочих поверхностях 9 вращающегося диска 8, так и на рабочих внутренних поверхностях 7 корпуса 5. Этот теплообразующий эффект достигается за счет преобразования потенциальной энергии пузырьков пара, накопленной ими при вхождении в каждое сопло сопел 10 или 10', в кинетическую энергию ударных волн, выделяемую на выходе из них.
Жидкость, попадая в тангенциально расположенные относительно оси вращения ротора сопла 10 или 10', преобразуется в мелкие пузырьки пара, которые под давлением начинают конденсироваться. После чего пузырьки пара схлопываются, что приводит к выделению тепла, в результате чего жидкость в цилиндрической полости 6 нагревается.
Пример
При начальной скорости жидкости в соплах 10 или 10', которая равнялась 0,3-0,6 м/с, исходная температура жидкости в герметичной емкости 2 составляла 15-20°С. Когда за счет вращения диска 8 ротора скорость жидкости в соплах 10 или 10' достигала 20 м/с, это приводило к генерации процесса кавитации в рабочем объеме жидкости, которая заполняла цилиндрическую полость 6, и росту температуры жидкости в герметичной емкости 2. При этом на выходе заявляемого проточного нагревателя температура жидкости поднималась до 80-100°С.
Технический результат
Техническим результатом предложенного изобретения является обеспечение высоких эксплуатационных показателей проточного нагревателя роторного типа за счет повышения его теплопроизводительности и надежности.