ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР для парогенератора
HYDRODYNAMIC REACTOR FOR STEAM GENERATOR

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к устройствам получения пара для промышленного применения в нефтедобывающей и газодобывающих отраслях: мойка и очистка от трудноудаляемых загрязнений на скважинах, очистка отложений в трубах нефтепроводов и газопроводов, размораживание и отогрев трубопроводов.
Известно, что для того, чтобы разогреть воду или превратить ее в пар используются пять видов энергетического воздействий на воду:
- источник внешнего тепла;
- трение твердых тел о жидкость или газ;
- создание пониженного давления и перемещение жидкости в зону с повышенным давлением (кавитация);
- ультразвуковое воздействие;
- электромагнитное воздействие.
Известны вихревые или кавитационные парогенераторы, которые воздействуют на жидкость практически всеми перечисленными способами, что повышает эффективность получения тепловой энергии и пара из воды посредством создания кавитационного вихревого потока, соединения молекул воды в кластеры и трения воды о поверхности ротора и статора, где нагрев жидкости и превращение ее в пар происходит не от источника внешнего тепла, ни от поверхности теплопередачи, тепло образуется внутри жидкости без передачи куда либо, с минимальными теплопотерями. Причем вода внутри вихревого или кавитационного парогенератора дополнительно разогревается от внутренних стенок разогретого изолированного корпуса за счет самой воды, от механического трения, кавитации и ультразвука, в виде схлопывания пузырьков, возникающих в результате вращения рабочего диска в замкнутом пространстве корпуса. В силу такого синергетического сложения сил воздействия (за исключением силы магнитного поля) нагрев жидкости и превращение ее в пар происходит гораздо быстрее и эффективнее чем в существующих известных устройствах.
Известен теплогенератор механический, описанный в патенте РФ на изобретение №2233408, МПК F24J 3/00, 2003, состоящий из разъемного корпуса, содержащего входной патрубок для подачи холодной воды, кольцевой патрубок для приема и направления горячей воды и пара в выходной патрубок, служащий для отвода горячей воды или пара, опоры подшипников, пассивного диска; активного диска, закрепленного на валу, который опирается на подшипниковый узел и приводится в высокооборотное вращение. Холодная вода, поступая через входной патрубок попадает на активный диск и под действием центробежной силы с большой скоростью выходит через круговое отверстие в кольцевой патрубок. При прохождении воды через незамкнутую полость с последующим выходом ее через круговое отверстие в кольцевой патрубок со скоростью до 95 - 110 метров в секунду и свыше производится горячая вода, пар и перегретый пар. Недостатком описанного теплогенератора является большая механическая нагрузка из-за высоких оборотов диска (10000-13000 об/мин), что технически трудно исполнимо и небезопасно в случае разрушения устройства, кроме того, требуется длительное время для нагрева воды до 100°С.
Известен роторный кавитационный парогенератор, описанный в патенте РФ на полезную модель №52976 с приоритетом 23.12.2005, МПКF22B 3/06; F22B 27/00, содержащий корпус, состоящий из кольца-статора, передней и задней боковых крышек, имеющих входное и выходное отверстия для подключения патрубков подвода нагреваемой жидкости и отбора пара, по крайней мере, один ротор в виде диска, установленный на валу и имеющий радиальный зазор между ним и статором и осевые зазоры между ним и боковыми крышками корпуса, завихрители. Входное отверстие для патрубка подвода жидкости расположено на периферийной части диска в зоне радиального зазора, а выходное отверстие для патрубка отбора пара выполнено в центральной части передней крышки. Недостатком описанного устройства является пульсирующий режим работы, что не позволяет получать сухой насыщенный пар и не обеспечивает стабильные параметры пара.
Наиболее близким решением к заявляемому является гидродинамический реактор, используемый в устройстве для получения пара, описанном в патенте РФ на изобретение №2633725, приоритет от 2016.05.20, МПК F24J 3/00, F22B 29/00; F22B 35/06 «СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПАРА», выбранный заявителем в качестве ближайшего аналога.
Согласно патента №2633725 устройство для получения пара включает в себя реактор с корпусом из кольца-статора, передней и задней боковых крышек с отверстиями для подключения патрубков, по крайней мере, один ротор в виде диска, установленный на валу и имеющий радиальный зазор между ним и кольцом-статором и осевые зазоры между ним и боковыми крышками корпуса, кавитаторы (углубления), расположенные на цилиндрической и торцевой поверхностях диска , крышек и корпуса соответственно, систему подачи и слива жидкости, узел для подключения к механическому приводу, патрубок для отбора пара, систему регулировки параметров пара, установленную на патрубке для отбора пара, гидроаккумулятор перегретой жидкости, образованный патрубками, соединяющими отверстия в задней и передней крышках, образующими замкнутый контур, промежуточную камеру с воздушным зазором и дренажными отверстиями, отделяющую рабочую полость парогенератора от узла для подключения к механическому приводу, входное отверстие для подачи жидкости в рабочую полость парогенератора, расположенное в центральной части задней крышки в зоне торцевого уплотнения.
Гидродинамический реактор, используемый в описанном устройстве для получения пара, является наиболее близким к заявляемому устройству, поэтому заявитель выбирает его в качестве ближайшего аналога.
Однако гидродинамический реактор, описанный в патенте №2633725, имеет некоторые недостатки:
- низкий КПД устройства;
- подшипниковая группа при длительной работе сильно разогревается за счет теплоизолированного разогретого корпуса;
- используется гидроаккумулятор для компенсации пульсирующей подачи жидкости на вход реактора и снижения колебаний энергопотребления;
- перекос диска из-за сильных гидроударов, что оказывает разрушающее механические воздействие на подшипниковую группу через приводной вал.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при использовании заявленного изобретения - расширение арсенала средств, а именно создание устройства, с помощью которого можно будет осуществить быстрое и эффективное превращение жидкости в пар.
Технический результат - повышение КПД, увеличение надежности работы, обеспечение стабильного процесса генерации пара с заданными параметрами, регулируемыми в широких пределах, с любой начальной температурой жидкости.
Техническая проблема решается и технический результат достигается тем, что в известном реакторе, включающем статор, выполненный в виде кольца, переднюю и заднюю боковые крышки с отверстиями для подключения патрубков для подвода жидкости и отбора пара, ротор в виде диска, установленный на валу и имеющий радиальный зазор между ним и статором и осевые зазоры между ним и боковыми крышками, завихрители, расположенные на цилиндрических и торцевых поверхностях ротора, крышек и статора, заявленный реактор дополнительно содержитмагнитный пояс, состоящий из неодимовых магнитов, установленных внутри статора радиально с постоянным шагом, а также дополнительные кавитационные выступы, расположенные на цилиндрической поверхности ротора, и рекуперативную камеру, отделяющую подшипниковую зону от нагретого статора, при этом статор выполнен из немагнитного материала, а снаружи статор закрыт кольцом-экраном.
Кроме того, заявленное устройство содержит выравниватели давления, установленные на крышках статора соосно, замкнутые в кольцо и разнесенные между собой по периферии на угол 120° или 90°. Причем, в заявленном устройстве с магнитной системой в результате получения более устойчивого процесса формирования кавитации, при условии непрерывной дозированной и высокостабильной подачи жидкости в ректор, выравниватели давления могут отсутствовать.
В заявленном устройстве жидкость подается в рабочую полость реактора нагретой за счет теплоотдачи от разогретой подшипниковой группы.
Согласно изобретению, интенсивность скоростной механической кавитации в сопровождении резонансных звуковых колебаний в реакторе с магнитной системой значительно усиливается за счет получаемого двойного эффекта воздействия на формирование пароводяной смеси:
- жидкость, попадающая на вращающийся диск, отбрасывается по инерции на внутреннюю стенку кольца-статора и «зажимается» в узком зазоре между ротором и статором, где образовано сильное магнитное поле за счет магнитов, радиально вмонтированных в статор. Магнитное поле в кавитационном течении вихревого потока воздействует на разделение молекул воды. Водород диамагнитен и выталкивается из магнитного поля, кислород же обладает парамагнитными свойствами и втягивается в магнитное поле, что способствует разрыву связей между водородом и кислородом подаваемой жидкости;
- кавитационные выступы ротора расположены напротив магнитов статора на близком расстоянии от них и за счет такого расположения замыкают магнитное поле через себя, формируя через выступы увеличенную плотность и глубину проникающего потока. Причем по причине стационарности магнитных полюсов статора, при вращении ротора кавитационные выступы смещаются относительно полюсов статора, при этом происходит периодическая смена направления намагниченности магнитного поля на противоположное через движущиеся кавитационные выступы и периферийную поверхность диска, создавая индукционные токи - токи Фуко, при которых происходит дополнительный нагрев периферии рабочего диска вместе с кавитационными выступами.
Таким образом, в заявленном реакторе за счет пояса из высокотемпературных неодимовых магнитов появляется дополнительное силовое воздействие на подаваемую жидкость - это магнитное поле статора, под действием которого быстрее достигается нужное давление и температура вихревого потока и затем пара, причем чем ближе кавитационные выступы расположены к магнитам, тем сильнее воздействие на разрыв связей молекул воды, тем сильнее напряженность и глубина проникновения сфокусированного магнитного поля в диск, и, как следствие, глубже и сильнее прогрев диска.
В силу синергетического сложения сил воздействия в рабочей зоне реактора, в том числе магнитного воздействия, нагрев жидкости и превращение ее в пар происходит гораздо быстрее и эффективнее, что обусловлено усилением интенсивности протекающих процессов механической кавитации с пониженным энергопотреблением.
Для повышения коэффициента полезного действия в заявленном устройстве тепло, выделяемое в зоне подшипникового узла, используется в качестве подогревателя входной жидкости, при этом одновременно охлаждается подшипниковый узел, а весь корпус реактора покрыт теплоизоляционным слоем.
Заявленное изобретение поясняется графическими материалами:
Фиг.1 - гидродинамический реактор с одним рабочим диском (в разрезе);
Фиг.2 - гидродинамический реактор с тремя рабочими дисками (в разрезе);
Фиг.3 - магнитная система, встроенная в кольцо-статор (варианты установки);
Фиг.4 - 2D-модель формирования магнитного моля в рабочей полости при расположении магнитов по варианту №3;
Фиг.5 - рабочая полость с магнитным полем при движении диска-ротора.
Заявленный гидродинамический реактор (Фиг.1) содержит следующие части:
1 - вал механического привода;
2 - воротниковые уплотнители;
3 - торцовая крышка;
4 - подшипниковый узел;
5 - подшипники;
6 - распорная втулка;
7 - промежуточная жидкостная камера;
8 - камера охлаждения и смазки;
9 - керамическое уплотнение;
10 - дренажные отверстия;
11 - сальник;
12 - внутренняя левая крышка;
13 - отверстия ротора;
14 - выравниватель давления;
15 - сальник (левый и правый);
16 - корпус (статор);
17 - кольцо-экран;
18 - корпусные углубления для неодимовых магнитов;
19 - высокотемпературный неодимовый магнит;
20 - втулка;
21 - кольцо для удержания магнитов;
22 - углубления цилиндрической формы;
23 - кавитационные выступы;
24 - завихрители, радиально расположенные с обеих сторон ротора, а также с
внутренних сторон внутренних левой и правой крышек;
25 - ротор;
26 - внутренняя правая крышка;
27 - торцовый колпак;
28 - сальник торцового колпака;
29 - отверстие для измерения давления;
30 - отверстие для измерения температуры;
31 отверстие для сброса давления;
32 - ступица;
33 - шайба;
34 - торцевое выходное отверстие для выпуска пара;
35 - гайка;
36 - теплоизоляционное покрытие;
37 - шпонка;
38 – опора правая;
39 - сливной патрубок;
40 - опора левая.
Для достижения стабильного выхода пара в заявленном реакторе был увеличен аккумулирующий объем и уменьшены его габариты за счет использования на выходе вместо выходного конуса (устройства в центральной части диска, из которого под давлением поступает пар) торцового колпака 27 с боковым отверстием 29 для измерения давления, с боковым отверстием 30 для измерения температуры, с боковым отверстием 31 для сброса давления и торцевым отверстием 34 для выпуска пара, что исключило необходимость в установке специального крепежа для навесного оборудования.
Внутренняя левая крышка 12, внутренняя правая крышка 26, кольцо-экран 17, подшипниковый узел 4, торцовый колпак 27 и ротор 25 могут быть выполнены (при работе с агрессивной средой - соленая вода, моющие средства и т.д.) из нержавеющей магнитнойстали 20Х13 ГОСТ1577-93, 30Х13 ГОСТ1577-93, 40Х13 ГОСТ1577-93, а при работе с обычной средой (вода, дистиллированная или техническая вода) из обычной стали СТ-3, СТ-8, СТ-10, поскольку этот материал хорошо экранирует магнитные волны и не выпускает их наружу за пределы реактора.
Заявленный гидродинамический реактор (Фиг.1) в отличие от ближайшего аналога дополнительно содержит:
- магнитный пояс, состоящий из неодимовых магнитов 19, установленных внутрь статора 16 радиально с постоянным шагом, при этом каждый магнит помещен во втулку из мягкого немагнитного материала;
- дополнительные кавитационные выступы 23, расположенныена цилиндрической поверхности ротора 25;
- рекуперативную камеру 7 (промежуточную жидкостную камеру), отделяющую подшипниковую зону (подшипниковый узел) от нагретого статора 16;
- статор 16, выполненный из немагнитного материала, который легко пропускает магнитное поле через себя (нержавеющая сталь 12Х18Н10Т), закрыт снаружи кольцом-экраном 17 для концентрации напряженности магнитных полей внутри статора.
Неодимовые магниты 19, установленные в корпусные углубления 18, защищены от вибрации втулками 20 из мягкого немагнитного материла (например, латунь, медь, бронза, олово), а для удержания внутри статора они закрыты тонким кольцом 21 из немагнитного материала, причем на кольце 21 с наружной стороны имеются дополнительные углубления 22 цилиндрической формы, смещенные относительно углублений 18 для магнитов (примерно на половину расстояния между ними).
На цилиндрической поверхности ротора 25 имеются кавитационные выступы 23, расположенные близко, оппозитно и соосно установленным неодимовых магнитам 19, поэтому выступы 23 фокусируют плотность и увеличивают глубину проникающего магнитного потока, замыкают его через себя и, таким образом, «загребают» поток жидкости, оставляя за собой разряженную область, то есть лучше формируют кавитацию и способствуют более глубокому прогреву ротора 25 токами Фуко.
Возможен вариант гидродинамического реактора с магнитным поясом и тремя рабочими дисками (Фиг.2), который содержит следующие части:
1 - механического привода;
2 - воротниковые уплотнители;
3 - торцовую крышку;
4 - подшипниковый узел;
5 - подшипники;
6 - распорная втулка;
7 - промежуточная жидкостная камера;
8 - камера охлаждения и смазки;
9 - керамическое уплотнение;
10 - дренажные отверстия;
11 - сальник;
12 - внутренняя левая крышка;
13 - компенсационные отверстия ротора;
14 - выравниватель давления;
15 - сальник (левый и правый);
16 - корпус;
17 - кольцо-экран;
18 - корпусные углубления для магнитов (левое и правое);
19 - высокотемпературные неодимовые магниты (левый и правый);
20 - втулка;
21 - кольцо для удержания магнитов;
22 - углубления цилиндрической формы кольца 21;
23 - кавитационные выступы;
24 - завихрители, радиально расположенные с обеих сторон дисков 25 и 44, кольца 21 и внутри внутренней левой 12 и внутренней правой 26 крышек;
25 - левый диск (ротор);
26 - внутренняя правая крышка;
27 - торцовый колпак;
28 - сальник торцового колпака;
29 - отверстие для измерения давления;
30 - отверстие для измерения температуры;
31 - отверстие для сброса давления;
32 - ступица;
33 - шайба;
34 - торцевое выходное отверстие для выпуска пара;
35 - гайка;
36 - теплоизоляционное покрытие;
37 - шпонка;
38 - опора правая;
39 - сливной патрубок;
40 - опора левая;
41 - углубления цилиндрической формы кольца для удержания магнитов;
42 - углубления цилиндрической формы распорного диска;
43 - распорный диск;
44 - правый диск (ротор);
45 - противовес для выравнивания нагрузки на подшипники.
гидродинамический реактор
Заявленный  с тремя рабочими дисками (Фиг.2) содержит установленный между правым и левым диском-ротором распорный диск 43, предназначенный для снижения вибраций от гидродинамического воздействия и уменьшения «рабочей зоны» формирования пара,два ряда (пояса)высокотемпературных неодимовых магнитов 19, размещенных по внутренней цилиндрической поверхности кольца-статора, и защищенных от вибрации втулками 20 из мягкого немагнитного материла и закрытых кольцом 21 из немагнитного материала, на котором внутри по всей длине в два ряда имеются смещенные относительно углублений 18 кольца-статора углубления 22 цилиндрической формы, причем на выступе кольца 21 с обеих сторон оппозитно радиально размещены вытянутой формы завихрители 24, а на внутренней части цилиндрической поверхности кольца 21 по всей длине имеются одинаковые цилиндрической формы углубления 41, при этом на цилиндрической поверхности дисков 25 и 44 дополнительно установлены кавитационные выступы 23, а на цилиндрической поверхности распорного диска углубления 42 цилиндрической формы.
В статоре 16 реактора в рабочей зоне завихрителей на внутренних крышках 12 и 26 на периферии размещены 3-4 разнесенные между собой оппозитно парных отверстия на угол соответственно 120° или 90° и замкнутых в 3 или 4 кольцеобразных контура, что обеспечит выравнивание по давлению «активной зоны» рабочей полости реактора, снизит микроперекосы ротора и увеличит рабочий ресурс изделия в целом.
В качестве жидкости может быть использована обычная вода, солевой раствор или вода с примесью других растворимых веществ или жидкостей.
Таким образом, заявленный гидродинамический реактор (Фиг.2) в отличие от ближайшего аналога содержит выполненное из немагнитного материла кольцо-статор 16, внутрь которого вмонтированы два ряда (пояса) высокотемпературных неодимовых магнитов 19, посаженных в защищающие от вибрации втулки 20 из мягкого немагнитного материла и закрытых кольцом 21 из немагнитного материала. Таким образом, в заявленном реакторе создаются два кольцевых магнитных поля, свойства которых могут меняться в зависимости от комбинации расположения магнитов (Фиг.3).
Снаружи статор 16 закрыт кольцом-экраном 17, что обеспечивает концентрацию напряженности магнитных полей внутри статора.
На Фиг.4 представлена 2D-модель формирования магнитного поля по рабочему диску и кольцу-статору для одного из вариантов (вариант №3) расположения магнитов (в программе Femm ver.4.2).
На Фиг.5 схематично представлена рабочая полость с магнитным полем при движении диска-ротора и индуцировании токов Фуко, в результате чего нагревается вся периферия рабочего диска вместе с кавитационными выступами.
Заявленное решение раскрыто в отношении предпочтительных вариантов его осуществления, однако возможны и аналогичные варианты его осуществления, не выходящие за пределы объема правовой охраны настоящего изобретения.
Устройство работает следующим образом:
Подачу жидкости в рабочую полость гидродинамического реактора осуществляют под избыточным давлением непрерывно в строго дозируемом количестве. Для предотвращения износа рабочих поверхностей кавитаторов и уменьшения пусковых токов электродвигателя при работе в плотной жидкостной среде, на стадии разогрева парогенератора (до образования пароводяной смеси) жидкость подают в незаполненный парогенератор с одновременным пуском гидродинамического реактора. Через промежуточную жидкостную камеру 7 жидкость попадает через камеру охлаждения и смазки 8 на вращающейся диск 25, где жидкость отбрасывается силами инерции вращения на периферию диска. В зоне радиального зазора между ротором 25 и кольцом-статором 16, осевого зазора между ротором 25, левой 12 и правой 26 внутренними крышками под действием инерционных сил образуется вращающееся аэрозольное облако в виде объемного кольца.
Под воздействием завихрителей 24 и магнитного поля во вращающемся кольце распыленной жидкости в результате трения жидкости о поверхность ротора и статора, происходят сдвиговые напряжения, соединения молекул воды в кластеры, срывы и пульсации жидкости, которые создают в результате гидродинамического воздействия быстро нагревающийся и расширяющейся под давлением кавитационный вихревой поток, где пароводяная смесь переходит в парообразную фазу. Причем интенсивность процесса формирования пара одновременно усиливается разогретой периферийной поверхностью вращающегося диска (ротора), которая нагревается индукционными токами магнитного поля статора при вращении диска 25. Образующийся пар под давлением парообразования движется к центру диска и выходит через выходной патрубок 34 торцевого колпака 27. При этом, благодаря измерительным приборам, установленным в отверстия 29, 30 и 31 торцевого колпака 27, контролируется состояние пара. Выдача пара компенсируется непрерывной подачей жидкости на входе.
Использование заявленного изобретения позволит расширить арсенал средств, с помощью которого можно будет осуществить быстрое и эффективное превращение жидкости в пар, а также повысить КПД, увеличить надежность работы устройства, обеспечить стабильный процесс генерации пара.