ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТЕПЛОГЕНЕРАТОР И УСТРОЙСТВО НАГРЕВА ЖИДКОСТИ
HYDRAULIC HEAT GENERATOR AND LIQUID HEATING DEVICE

Изобретение относится к области теплоэнергетики и генерированию тепла экологически чистым способом и может быть использовано как в системах отопления зданий, сооружений, транспортных средств, подогрева несжимаемых жидкостей, в том числе воды, так и в аппаратах обогрева различного назначения.
Известны различные теплогенераторы, использующие преобразование энергии движущихся рабочих сред в тепло, в частности, известны гидравлические теплогенераторы, в которых тепло вырабатывается при торможении закрученного потока жидкости (RU 2045715 С1, МПК F25B 29/00, 10.10.1995; RU 2059162 С1, МПК F24 D3/02, F24D 3/08, 27.04.1996; RU 2134381 С1, МПК F24D 3/02, F24J 3/00, 10.08.1999; RU 2140042 С1, МПК F24D 3/02, 20.10.1999; RU 2204090 C2, МПК F25B 9/02; F25B 29/00, 10.05.2003).
Известна "Система теплоснабжения потребителей" (RU 2059162, МПК 6 F24D 3/02, F24D 3/08, 27.01.1996), которая содержит теплогенератор в виде вихревой камеры с тангенциальным подводом жидкости, нагревающейся в цилиндрическом корпусе вихревой камеры, снабженной тормозным устройством и патрубком отвода нагретой жидкости, сетевой водяной насос с электроприводом, подающий, обратный и соединительный трубопроводы, запорно-регулирующую арматуру, расширительный бак, соединенный с потребителем; для регулирования температуры и давления теплоносителя используется обводная линия с возможностью перепуска теплоносителя из подающего в обратный трубопровод, а также устройство автоматического регулирования температуры теплоносителя с блоком управления.
В описанном и аналогичных ему устройствах движение жидкости, поступающей в вихревую камеру под давлением через закручивающее поток входное устройство, (которое может быть выполнено в виде улитки, одного или нескольких тангенциальных каналов и т.п.), приобретает вихревой характер. Скорость жидкости к моменту ее входа в вихревую камеру возрастает. Попав в нее, жидкость за счет действия центробежных сил отбрасывается к внутренней поверхности полости корпуса вихревой камеры и, омывая ее, совершает винтовое движение, в ходе которого частично тормозится. При этом энергия торможения превращается в теплоту и подогревает движущуюся жидкость. Слои жидкости, находящиеся на разных расстояниях от оси вращения вихря, в соответствии с законом сохранения количества движения имеют различные скорости, что обуславливает трение между вращающимися друг относительно друга слоями жидкости и дальнейший ее нагрев.
Известные гидравлические теплогенераторы и устройства для нагрева жидкости имеют невысокую скорость входа теплоносителя (жидкости) на стационарный режим до приемлемых температур (свыше 70°C) и недостаточно компактны.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является, принятая в качестве прототипа, "Схема нагрева системы водяного отопления теплогенератором" (RU 2202740 С2, МПК F24D 3/02, F25B 29/00, 20.04.2003), содержащая теплогенератор в виде вихревой камеры с закручивающим поток жидкости сопловым устройством, нагревающейся в цилиндрическом корпусе вихревой камеры, снабженной тормозным устройством и патрубком отвода нагретой жидкости (согласно RU 2204090 С2, МПК F25B 9/02, F25B 29/00, 10.05.2003), сетевой водяной насос с электроприводом, соединенный с корпусом теплогенератора с помощью инжекционного патрубка, подающий и обратный трубопроводы с индивидуальными вентилями соответственно, последние соединены параллельно между собой так, что входной патрубок вентиля, сообщающегося своим выходным патрубком с подающей линией трубопровода, соединен параллельно с входным патрубком вентиля, сообщающегося своим выходным патрубком с линией обратного трубопровода, а начальный конец линии обратного трубопровода соединен с выходным патрубком теплообменника самого отдаленного потребителя.
Экономическая эффективность от применения предлагаемой схемы заключается в том, что повышается технологическая возможность в регулировке циркуляции воды, однако наиболее близкому к заявленному изобретению устройству для нагрева жидкости гидравлическим теплогенератором, присуще, хотя и в меньшей степени, те же недостатки, которые были отмечены выше: большие габариты, недостаточная эффективность.
Поэтому в основу изобретения поставлена техническая задача создания гидравлического теплогенератора, который бы характеризовался минимальными габаритами, массой и более высокой эффективностью и скоростью выхода на температурный режим за счет интенсификации происходящих в нем процессов преобразования энергии.
Технический результат, выражается в интенсификации процесса нагрева жидкости в гидравлическом теплогенераторе и увеличении скорости выхода на заданный температурный режим.
Технический результат достигается тем, что гидравлический теплогенератор, включающий входное закручивающее устройство, соединенное с корпусом вихревой камеры, патрубок отвода нагретой жидкости, согласно настоящему изобретению снабжен со стороны размещения дросселя приосевым центральным отверстием с установленным в нем патрубком подвода в приосевую область вихревой камеры дополнительных масс жидкости, торцы оборудованы ходовым винтом с сальниковым уплотнением, который обеспечивает регулировку режимов работы торец вихревой камеры, удаленный от соплового ввода снабжен щелевым диффузором, торец, примыкающий к отверстию диафрагмы, выполнен в виде щелевого диффузора, щелевые диффузоры выполнены комбинированными с улиточными оголовками,.
В устройстве нагрева жидкости, содержащем гидравлический теплогенератор, сетевой насос с электроприводом, соединенный с корпусом теплогенератора, подающий и обратный трубопроводы с запорными вентилями, обеспечивающие взаимосвязь теплогенератора с теплообменниками, согласно изобретению, линия подачи разделена на две -одна из которых направлена к закручивающему поток устройству вихревой камеры, а вторая через эжектор в ее приосевую область, кроме того, имеется две линии отвода - одна, выйдя из центрального отверстия диафрагмы, подается на вход насоса, вторая, пройдя систему внешних отопительных приборов, подсасывается эжектором в приосевую область вихревой камеры, образуя тем самым замкнутый гидравлический контур.
Размещение в центральной части щелевого диффузора соосно отверстию диафрагмы трубки подвода дополнительного потока с противоположной закручивающему устройству стороны в сочетании с вовлечением в циркуляцию по замкнутому контуру подогретого потока, подсасываемого эжектором, обеспечивает возникновение интенсивной циркуляции жидкости в полости корпуса, причем трение между вращающимися и смещающимися в осевом направлении слоями жидкости усиливается благодаря воздействию возмущений, создаваемых введением дополнительного потока. В результате взаимодействия комплекса факторов во вращающемся потоке жидкости существенно увеличиваются градиенты изменения скоростей как в поперечном так и в продольном по отношению к корпусу вихревой камеры направлениях с возникновением обратных токов жидкости в приосевой зоне с последующим выходом нагретой жидкости через щелевой диффузор в патрубок отвода нагретой жидкости.
Изобретение поясняется Фиг.1, на которой представлена конструктивная схема устройства нагрева несжимаемой среды.
Гидравлический теплогенератор содержит вихревую камеру 1, с закручивающим поток сопловым устройством 2, диафрагмой с центральным отверстием 3, дросселем 4, выполненным в виде щелевого диффузора, в центральную часть которого, соосно отверстию диафрагмы 3, установлена трубка подвода дополнительного потока 5. Вихревая камера 1 подключена к напорному патрубку 6 насоса 7, который приводится во вращение электродвигателем 8. На входе в насос 7 установлены вентили 9 и 10 для согласования и регулирования работы всего устройства. Торцы вихревой камеры оборудованы ходовыми винтами с сальниковым уплотнением 11 и 12, которые обеспечивают регулировку режима ее работы.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Сначала весь гидравлический контур заливают жидкостью через расширительный резервуар 13 так, чтобы в объеме расширительной емкости оставалась воздушная полость для возможности дальнейшего заполнения его жидкостью при ее нагреве. После заполнения гидравлического контура жидкостью на электродвигатель 8 подают напряжение, насос 7 начинает прокачивать рабочую жидкость, например воду, через пространственную распределительную систему теплогенератора.
Жидкость под напором, протекая через закручивающее устройство соплового ввода, подается в вихревую камеру трубы, а со стороны дросселя в ее приосевую зону через эжектор 14 подводится дополнительный поток. Рабочий агент - жидкость - вращается внутри вихревой камеры трубы и нагревается несколько больше за счет трения в периферийных слоях, образуя, в основном из дополнительных масс в приосевой зоне, обратный поток, и по сходящейся спирали истекает через центральное отверстие на вход насоса. Рабочий орган насоса всасывает жидкость и снова нагнетает ее через закручивающий поток сопловой ввод и эжектор в вихревую камеру трубы. Струя жидкости с выхода вихревой камеры подсасывает с помощью эжектора 14, подогретая жидкость вовлекается в циркуляцию. После нагрева жидкости до заданной температуры открывается внешний клапан за патрубком 15 и выпускается в линию внешнего теплообмена 16. Теплоприток в систему складывается из тепловой энергии, вносимой источником электропитания электродвигателя, и энергии, инжектируемой вихрем рабочего агента через проникающие поля. Общий коэффициент отопления системы близок к 1, т.е. вихревая система отопления создает прирост энергетического тепла за счет инжекции энергии внешних по отношению к системе полей вихревым потоком рабочего агента. Эта инжекция носит нелинейный характер, т.е. определяется второй степенью линейной и угловой скорости потока.
Таким образом, предложенное устройство выполняет поставленную цель. Благодаря использованию вихревой камеры с дополнительным потоком, имеющую высокие значения коэффициентов энергетической эффективности и организацию работы системы по замкнутому циклу, удается выполнить все устройство значительно более компактным, исключив испарение рабочей жидкости и обеспечив возможность применения высокоэффективных жидких сред, повышающих скорость нагрева и отопительный коэффициент.