Способ и устройство для нагрева и очистки жидкостей
METHOD AND DEVICE FOR HEATING AND PURIFYING LIQUIDS

Область техники
Изобретение относится к вырабатывающему нагретые или охлажденные жидкости кавитационному оборудованию, содержащему по меньшей мере один двигатель, корпус, подлежащую нагреву жидкость и кавернозные тела, вращающиеся в подлежащей нагреву жидкости и приводимые в действие внешним двигателем.
Уровень техники
Явление кавитации для образования тепла в жидкостях, таких как вода, хорошо известно специалистам в данной области техники.
Пример системы кавитации с использованием вращающегося тела для выработки нагретых жидкостей представлен в патенте США № 3,720,372 (автор: Jacobs). Другие запатентованные решения с использованием явления кавитации для образования тепла разрабатывались в 1950-е годы, особенно в США. Хорошо известен патент США № 4,424,797 (автор: Perkins). Данный патент представляет собой развитую и отвечающую современному уровню техники версию решений, описанных в патенте США № 2,683,448 (автор: Smith). Одно из усовершенствований описано также в патенте США № 4,779,575 (автор: Perkins).
Кавитационные устройства описаны также в патентах США №№ 5,188,090 и 5,385,298 (автор: Griggs). В этих устройствах в корпус устройства помещено цилиндрическое тело, а поверхность снабжена кавитационными отверстиями. Подлежащую нагреву жидкость заливают в свободное цилиндрическое пространство между вращающимся телом с кавитационными отверстиями и внутренней поверхностью корпуса; по мере вращения кавитационного тела давление и температура жидкости повышаются. Патенты Griggs полностью включены в данный документ путем ссылки.
Другие кавитационные устройства описаны в патенте США № 6,164,274 (автор: Giebeler), патенте США № 6,227,193 (автор: Selivanov) и патенте РФ № RU 2,262,644. Другой подход на основе кавитации показан в заявке на патент США № 2010/0154772 (автор: Harris). В этом подходе спиральные змеевики вращающегося ротора и внутренняя оболочка корпуса совместно приводят к образованию кавитационного тепла во время вращения ротора. Идея аналогичного кавитационного устройства изложена в патенте WO2012/164322A1 (автор: Fabian).
Системы известного уровня техники, описанные выше, имеют ряд недостатков, в том числе неэффективность и создаваемый ими шум, прежде всего из-за подхода к процессу кавитации как к двумерному процессу. Одной из целей изобретения является устранение недостатков известных решений и вредных воздействий кавитации в кавитационных устройствах с целью избавления от разрушающих усилий, присущих процессу кавитации, для улучшения эффективности и снижения кавитационного шума при помощи трехмерного векторного подхода.
Сущность изобретения
Одной из целей изобретения является создание кавитационного устройства, вырабатывающего нагретые жидкости, достаточные для очистки текучей среды, и для альтернативных способов передачи тепла, которое содержит по меньшей мере один двигатель, корпус, подлежащую нагреву жидкость и одно или более кавернозных кавитационных тел, вращающихся в подлежащей нагреву жидкости и приводимых в движение двигателем. Изобретение включает в себя процедуру эксплуатации оборудования. Преимущество решения в соответствии с изобретением состоит в устранении оказываемых в ином случае вредных и вызывающих эрозию воздействий кавитации с использованием при этом формируемых кавитационных пузырьков для изменения тепловых условий жидкостей, главным образом воды, для очистки воды, применений в ОВКВ и других подобных процессах, которые требует передачи тепла.
В частности, изобретение отличается тем, что в корпусе установлена ограничивающая форма, которая содержит кавитационные ступени, направляющие и отражающие буферы и свободную ограничивающую щельворонку для подлежащей нагреву жидкости между ограничивающей формой и кавитационным телом, позволящую управлять скоростью и направлением формируемых кавитационных пузырьков, что критично для целостности процесса и сокращения/устранения разрушающих усилий, связанных с процессом кавитации. Изобретение также включает в себя способ использования кавитационного оборудования как неотъемлемую часть улучшения кавитационной системы в целом с точки зрения снижения шума и эффективность процесса.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для нагрева жидкости при помощи кавитации, содержащем корпус, имеющий впускное отверстие для подлежащей нагреву жидкости и выпускное отверстие для выпуска нагретой жидкости из корпуса; внешний ротор, выполненный с возможностью фиксации на вале двигателя и заключения в корпус и с возможностью вращения внутри корпуса, причем внешний ротор имеет множество кавитационных отверстий на его наружной поверхности и расположен внутри корпуса с образованием зоны нагрева текучей среды между наружной поверхностью внешнего ротора и внутренней поверхность корпуса, которая обращена к наружной поверхности внешнего ротора, при этом внутренняя поверхность корпуса, обращенная к содержащей отверстия наружной поверхности внешнего ротора, имеет множество разнесенных в боковом направлении первых зон воронки, проходящих по окружности вдоль этой внутренней поверхноти, причем каждая первая зона воронки заканчивается в первой выпускной зоне, каждая первая зона воронки содержит первый наклонный участок, каждая первая выпускная зона смещена относительно примыкающей первой выпускной зоны, а поступающая в корпус текучая среда нагревается за счет взаимодействия с первыми зонами воронки, первыми наклонными участками, отверстиями во внешнем роторе и при помощи вращения внешнего ротора.
Устройство может дополнительно содержать неподвижную роторную головку, которая установлена в корпусе и имеет наружную поверхность, обращенную к внутренней поверхности внешнего ротора, причем наружная поверхность неподвижной роторной головки и внутренняя поверхность внешнего ротора образуют вторую зону кавитации текучей среды, наружная поверхность неподвижной роторной головки содержит множество кавитационных отверстий, внутренняя поверхность внешнего ротора имеет множество разнесенных в боковом направлении вторых зон воронки, проходящих по окружности вдоль внутренней поверхности внешнего ротора, при этом каждая вторая зона воронки заканчивается во второй выпускной зоне, каждая вторая зона воронки содержит второй наклонный участок, каждая вторая выпускная зона смещена относительно примыкающей второй выпускной зоны, а текучая среда, поступающая во вторую зону кавитации текучей среды, нагревается за счет взаимодействия со вторыми зонами воронки, вторыми наклонными участками, отверстиями в роторной головке и при помощи вращения внешнего ротора.
В другом варианте выполнения, кавитационное устройство имеет горизонтальную продольную ось, и каждая из первых выпускных зон, если смотреть в поперечном сечении, перпендикулярном горизонтальной продольной оси, находится в положении на 6 часов в случае нагрева текучей среды и в положении на 3 или 9 часов в случае охлаждения текучей среды.
В другом варианте выполнения кавитационное устройство имеет горизонтальную продольную ось, и каждая из вторых выпускных зон, если смотреть в поперечном сечении, перпендикулярном горизонтальной продольной оси, находится в положении на 6 часов в случае нагрева текучей среды и в положении на 3 или 9 часов в случае охлаждения текучей среды.
В другом варианте выполнения первая зона воронки при первой выпускной зоне на внутренней поверхности корпуса имеет грань, образованную под прямым углом к внутренней поверхности.
В другом варианте выполнения каждая из первых зон воронки при каждой первой выпускной зоне на внутренней поверхности корпуса имеет грань, образованную под прямым углом к внутренней поверхности корпуса, и каждая из вторых зон воронки при каждом второй выпускной зоне на внутренней поверхности внешнего ротора имеет грань, образованную под, как правило, прямым углом к внутренней поверхности внешнего ротора.
Система кавитационного устройства, содержит вышеописанное устройство для нагрева жидкости при помощи кавитации, b) входной накопительный резервуар, сообщающийся с впускным отверстием в корпусе, c) устойчивый к гидравлическому удару резервуар для выпускаемой воды, сообщающийся с выпускным отверстием корпуса, d) двигатель, имеющий вал двигателя и внешний ротор, установленный на валу двигателя, e) контроллер двигателя для управления частотой вращения двигателя; f) датчики температуры для контроля поступающей и выходящей текучей среды для устройства, и g) перепускную трубу между впускным отверстием резервуара поступающей воды и выходным отверстием устойчивого к гидравлическому удару резервуара для выпускаемой воды.
В другом варианте выполнения внешний ротор установлен на вал двигателя в консольной конфигурации, так что в устройстве нет внутренних подшипников.
Способ термического изменения текучей среды с помощью кавитации, включает в себя этапы a) наличия вышеописанного устройства для нагрева жидкости при помощи кавитации; b) введения текучей среды во впускное отверстие; c) вращение внешнего ротора для нагрева текучей среды с использованием регулируемой частоты вращения для улучшения совмещения пузырьков с кавитационными отверстиями, и d) выпуск термически измененной текучей среды из выпускного отверстия.
В другом варианте выполнения текучая среда представляет собой воду.
В другом варианте выполнения текучую среду очищают.
Способ термического изменения текучей среды с помощью кавитации включает в себя a) наличие вышеописанного устройства для нагрева жидкости при помощи кавитации, b) введение текучей среды во впускное отверстие, c) вращение внешнего ротора для нагрева текучей среды с использованием регулируемой частоты вращения для улучшения совмещения пузырьков с кавитационными отверстиями, и d) выпуск термически измененной текучей среды из выпускного отверстия, систему управления.
В другом варианте выполнения текучая среда представляет собой воду.
В другом варианте выполнения текучую среду очищают.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 приведен вид в перспективе с пространственным разделением деталей одного варианта осуществления изобретения.
На Фиг. 2 приведен вид сверху изображенного на Фиг. 1 устройства, частично срезанного для показа деталей.
На Фиг. 3 приведен вид в разрезе вдоль линии III, указанной на Фиг. 2.
На Фиг. 4 приведена увеличенная часть вида в разрезе, изображенного на Фиг. 3.
На Фиг. 5 приведен еще более увеличенный вид части, изображенной на Фиг. 4.
На Фиг. 6 приведены места расположения выпускных отверстий и места расположения кавитационных отверстий с учетом частоты вращения двигателя и расчетной скорости текучей среды на выходе в стандартной двумерной форме.
На Фиг. 7 приведен типичная цилиндрическая траектория текучей среды в переделах кавитационной головки в третьем измерении.
На Фиг. 8 приведены общие места расположения буферов относительно друг друга для обеспечения равномерной скорости истечения текучей среды в кавитационные отверстия в третьем измерении.
На Фиг. 8A приведено поперечное сечение Фиг. 8 возле входной точки выпускных воронок.
На Фиг. 8B приведено поперечное сечение Фиг. 8 в направлении выпускных воронок.
На Фиг. 9 приведена таблица физических характеристик воды, которые меняются по мере изменения температуры, что требует управления скоростью процесса кавитации.
На Фиг. 10 приведены общие требования к системе для создания управляемого трехмерного процесса кавитации без негативных разрушительных усилий.
Подробное описание изобретения
Явление кавитации и его применение для нагрева жидкостей хорошо известны из предшествующего уровня техники.
Кавитационные вакуумные пузырьки образуются в частях жидкости с пониженным давлением, в основном в областях, где скорости потоков жидкости высокие. Это явление распространено в центральных насосах и вблизи гребных винтов или гидротурбин и может вызывать интенсивную эрозию вращающихся винтов и поверхности всех материалов, подвергающихся воздействию.
Данное явление сопровождается вибрацией и детонационных шумом; оно искажает характер потока и снижает эффективность соответствующего двигателя. Независимо от материала изготовления винта или лопатки турбины кавитация вызывает эрозию соответствующих поверхностей, буквально съедая даже самые твердые сплавы и создавая микроскопические отверстия и каверны на поверхности. Отсюда и название данного явления, поскольку кавитация означает создание каверн. По указанным выше причинам кавитация, как правило, представляет собой явление, которое необходимо устранять.
Кавитационные вакуумные пузырьки обычно небольшие, размером всего в несколько миллиметров, и формируются за счет внезапного снижения давления в высокоскоростных потоках жидкости между молекулами жидкости. При входе в области высокого давления пузырьки разрушаются, или взрываются, и равномерно заполняют пространство каплями, если давление жидкостей высокого давления внезапно падает. Среди капель и молекул капель образуются мелкие каверны, образующие в буквальном смысле вакуумные пузырьки. Последующее разрушение таких вакуумных пузырьков сопровождается низким грохочущим шумом и излучением света. Разрушение больших количеств молекул жидкости создает потрескивающий, вибрирующий грохочущий шум. При разрушение пузырьков энергия, накопленная в виде значительной тепловой и световой энергии в пузырьках, высвобождается. Эта энергия распространяется на различных частотах и поглощается соседними молекулами, тем самым повышая их температуру. Иными словами, получающийся в результате газ достигает состояния, в котором повышенные температура и давление насыщенного газа разрушают молекулярное сцепление, и пузырьки будут внезапно делиться на части. Получающаяся в результате высокая температура поглощается окружающими молекулами жидкости, тем самым нагревая текучую среду. Тепла, образуемого в процессе кавитации, достаточно для устранения любых бактерий, вирусов, тяжелых металлов и других загрязнений из текучей среды, и таким образом обеспечивается дополнительная выгода в виде очистки. В действительности для управления трехмерным процессом кавитации лучше всего подходит очищенная текучая среда.
Опять же, использование данного явления для нагрева жидкостей известно уже много лет. Однако кавитацию для нагрева жидкостей получали косвенным путем, например, с помощью вращающихся тел, приводимых в действие электродвигателями, что значительно дороже нагрева жидкостей непосредственно с помощью электричества. С другой стороны, ситуация меняется, если тем или иным образом доступны другие экономичные источники энергии, например, турбина, бензиновый или дизельный двигатель и т. д. Используя такие источники энергии, можно непосредственно производить очищенные нагретые жидкости.
В системах, таких как показанные в упомянутых выше патентах Griggs, текучую среду, циркулирующую с выбранной высокой скоростью в замкнутой системе и проходящую через сужающий канал, резко вводят в расширяющую секцию (кавитационные отверстия), и происходит необходимое снижение давления для создания кавитаций.
Как правило, кавитация — это вредное явление ввиду его разрушительны характеристик, избыточного образования тепла, высокого давления на выходе и шума. Однако данное изобретение основано на осознании того, что можно создать улучшенное кавитационное устройство путем установки ограничения или препятствия между вращающимся кавитационным телом и внутренней поверхностью корпуса, содержащего это тело, и, необязательно, внутренней поверхностью вращающегося кавитационного тела и вспомогательной неподвижной роторной головкой. В этом случае гарантируется непрерывное взрывание вакуумных пузырьков. За счет конструкции внутренней части корпуса с препятствием или ограничением, где подлежащая нагреву жидкость в отверстиях окружает вакуумные пузырьки при взрыве, можно снизить кавитационный шум и уменьшить или устранить вредные воздействия кавитации.
В соответствии с одной особенностью изобретения предлагается кавитационное устройство, вырабатывающее нагретые очищенные жидкости, которое содержит по меньшей мере один двигатель, корпус, подлежащую нагреву жидкость, вращающееся кавитационное тело, которое вращается в подлежащей нагреву жидкости и приводится в действие двигателем. Двигатель может быть электрическим двигателем, но для приведения в действие кавитационного оборудования можно также использовать паровые двигатели или двигатели внутреннего сгорания или вращающиеся валы турбин. Для формирования второй зоны нагрева жидкости внутрь вращающегося кавитационного тела может быть помещена неподвижная роторная головка. Изобретение также включает в себя способ эксплуатации устройства, который, не вдаваясь в подробности, включает в себя подачу текучей среды, например, воды, в устройство в целях кавитации и последующее использование нагретой текучей среды известным в данной области техники образом. Хотя в качестве текучей среды желательна вода, устройство можно использовать для нагрева и очистки любой текучей среды, если требуется.
Преимущества изобретения усиливаются благодаря наличию кавитационных отверстий во вращающемся кавитационном теле и роторной головке, если она имеется. Что касается вращающегося кавитационного тела, его внешняя поверхность снабжена кавитационными отверстиями, во многом напоминающими описанные в патентах Griggs. Отверстия и камера между вращающимся кавитационным телом и окружающим корпусом образуют кавитационную зону потока. В варианте осуществления, использующем неподвижную роторную головку, внешняя поверхность роторной головки тоже снабжена кавитационными отверстиями таким образом, что они обращены к внутренней поверхности вращающегося кавитационного тела, которая к тому же обычно имеет кольцеобразную форму. Это создает дополнительную кавитационную зону потока жидкости между внутренней частью вращающегося кавитационного тела и роторной головкой для усиления кавитации текучей среды.
v
X
Y
Z
V
A
A
x
x
t
y
y
t
Z =
Z/
t
z
Z
x
y
A
На Фиг. 1–10 показан один вариант осуществления изобретения. Устройство обозначено номером позиции 10 и содержит внешний двигатель 1, используемый для вращения вращающегося кавитационного тела или внешнего ротора 5 посредством вала 3 прямого привода, который включает в себя уплотнение 7 вала. Вал 3 проходит через отверстие 6 в конце 8 корпуса 9 и отверстие 12 во внешнем роторе 6 5. Внешний ротор 5 может вращаться при любом количестве частот вращения, которые зависят от вязкости нагреваемой текучей среды. Типичные частоты вращения для формирования оптимальной кавитации текучей среды составляют от 2500–4000 об/мин; такие частоты вращения аналогичны описанным в патентах Griggs. Однако, чтобы улучшить патент Griggs и точно определить местоположение в третьем измерении кавитационных пузырьков, выпускаемых в кавитационные отверстия 33, 37, частоту вращения устройства 10 регулируют с помощью контроллера 301 переменной скорости вместе с направляющими и отражающими буферами. Это крайне важно для обеспечения точной частоты S вращения вала, которая определяет горизонтальную V, вертикальную V третичную V скорости текучей среды в выпускных зонах 31, 35 устройства 10. Текучая среда сжимается внутри выпускной воронки, направляется и высвобождается с конкретной скоростью F, которая определяется физической длиной L дуги между зонами кавитации (Фиг. 6) при определении фактического количества выпускных зон кавитации для данной кавитационной головки при любой конкретной частоте вращения двигателя. Так как скорость Fv текучей среды можно регулировать, можно определять время, которое потребуется молекуле текучей среды для прохождения вдоль дуги L, и вычислять горизонтальную и вертикальную составляющие скорости текучей среды в выпускных зонах 31, 35. Горизонтальная скорость криволинейного движения определяется как функция V = d/d, тогда как вертикальная скорость V= d/d и третичная скорость Vdd. Направляющий и отражающий буферы выполнены с возможностью обнуления третичной скорости V за счет устранения составляющей d и, таким образом, находя решения для d и d, можно определять местоположение кавитационных отверстий 33, 37 и расстояние между отверстиями B в зависимости от времени (т. е. частоты вращения двигателя) для регулировки. На Фиг. 6 показаны лишь два кавитационных отверстия, однако следует понимать, что кавитационные отверстия проходят вдоль окружности внешнего ротора, как показано на Фиг. 3.
Предусмотрен корпус 9 ротора, который не имеет внутренних подшипников. Наличие внутренних подшипников является причиной критического отказа в патенте Fabian, так как в этой конструкции на подшипники будет непосредственно влиять передача тепла от текучей среды подшипникам во время процесса кавитации. Соответственно, вал 3 двигателя 1 проходит через корпус 9 и поддерживает внешний ротор 5 для вращения в консольной конфигурации. Двигатель имеет вал 3 длиннее обычного и внутренние подшипники в двигателе для поддержки сбалансированного внешнего ротора 5, когда вал 3 проходит через корпус 9. Корпус 9 образует полость 11, причем полость выполнена с возможностью приема внешнего ротора 5. В целях герметизации между валом 3 двигателя и корпусом 9 расположено стандартное уплотнение вала (не показано). Консольная компоновка двигателя и подшипники двигателя, связываемые с двигателем для поддержки вала двигателя, избавляют от проблем с отказом подшипников, возникающих в устройствах известного уровня техники.
Во время работы текучую среду, например, воду, вводят в полость 11 при расходе, основанном на оптимальной отрегулированной частоте вращения двигателя для текучей среды во время работы устройства 10. Когда внешний ротор 5 расположен внутри корпуса, наружная поверхность 13 внешнего ротора 5 обращена к внутренней поверхности 15 корпуса 9. Между двумя этими поверхностями 13 и 15 имеется зазор 17, и этот зазор 17 становится для устройства 10 одной из зон нагрева текучей среды, состоящей из трех боковых зон 215 кавитации.
A
В варианте осуществления, изображенном на Фиг. 1–10, имеются шесть зон нагрева текучей среды благодаря трем наборам из трех выпускных зон 31 и 35 для зоны нагрева 17 и такой же компоновки для зоны нагрева 25, так что всего имеются восемнадцать зон 215 кавитации. Данное количество может быть увеличено или уменьшено за счет изменения размера кавитационной головки для дополнительной длины L дуги в соответствии с выбранными частотами вращения двигателя. Этого достигают обеспечением второй роторной головки 19, имеющей определенный шаг вращения или конфигурацию и обладающей аналогичными физическими характеристиками с внешним ротором 5, для усиления энергии в текучей среде. Наружная поверхность 21 роторной головки 19 обращена к внутренней поверхности 23 внешнего ротора 5, причем между ними имеется зазор. Зазор образует еще одну зону 25 нагрева текучей среды устройства 10.
Также предусмотрена крышка 27 корпуса. Крышку 27 корпуса состыковывают с корпусом 9 любым известным методом крепления с образованием герметичной кавитационной камеры, которая содержит роторную головку 19 и внешний ротор 5. Роторную головку 19 устанавливают на крышку 27 корпуса любым стандартным способом с образованием зазора 25 в качестве зоны нагрева текучей среды между внешней или наружной поверхностью 21 роторной головки 19 и внутренней поверхностью 23 внешнего ротора 5. В качестве примера для монтажа можно использовать отверстия 26 вместе с соответствующими крепежными деталями.
Материалы, выбираемые для внешнего ротора 5 и роторной головки 19, а также корпуса 9 и крышки 27, выбирают с учетом оптимальных рабочих характеристик и безопасности. В число примеров материалов для корпуса 9 и крышки 27 входят полимеры, например полиамид. Внешний ротор 5 и роторная головку 19 могут быть сделаны из металлических материалов вроде алюминия или его сплава, или из нержавеющих сталей.
Подлежащую нагреву или очистке текучую среду вводят в кавитационное устройство 10 через впускное отверстие 29, находящееся на крышке 27 корпуса. Хотя положение впускного отверстия 29 можно варьировать, его предпочтительно располагать таким образом, чтобы текучая среда входила во вторую зону 25 нагрева (см. Фиг. 4), т. е. между неподвижной внутренней роторной головкой 19 и внешним ротором 5.
d
X
Y
Z
Зоны кавитации 17 и 25 имеют специальные отличительные признаки, которые обеспечивают возможность оптимальной кавитации. На Фиг. 8 показано местоположение этих отличительных признаков. Внутренняя поверхность 15 корпуса 9 ротора и внутренняя поверхность 23 внешнего ротора 5 имеют направляющие буферы 201 и 203 и отражающие буферы 202 и 204, соответственно, для направления воды по траектории к наклонным секциям 31 и 35 в каждой из них. Направляющие буферы 201 и 203 этих поверхностей более длинные, тогда как отражающие буферы 202 и 204 более короткие и позволяют направлять воду в наклонную зону 31 и 35 вдоль естественного направления F текучей среды, как показано на изображении в третьем измерении на Фиг. 7. Каждый набор этих буферов расположен со смещением, причем внутренний ряд имеет смещение 212 относительно срединного ряда, а срединный ряд имеет смещение 213 относительно наружного ряда, с тем чтобы приспособиться к вариации времени, в течение которого молекула текучей среды совершает цилиндрическое движение, и таким образом повлиять на составляющие скорости V, V и V зоны кавитации при определении местоположений кавитационных отверстий 33 и 37. Это позволяет приводить внутренний ротор 21 и внешний ротор 5 в соответствие со стандартными производственными процессами.
Z
v
Кроме того, поскольку допущение трехмерной траектории выпускаемой текучей среды создает связанные с геометрическими параметрами проблемы изготовления в отношении определения местоположения и формирования кавитационных отверстий 33 и 37, предусмотрена перпендикулярная секция 210 направляющих буферов 201 и 203 и отражающих буферов 202 и 204, способствующая двумерному выпуску текучих сред в кавитационные отверстия 33 и 37. Кавитационные отверстия 33 и 37 расположены на двумерной плоскости, поскольку третичная скорость V была сведена к нулю, так что расстояние между выпускной зоной 215 и кавитационными отверстиями 33, 37 находится в прямой корреляции с F. Благодаря точному определению местоположения выпускаемой текучей среды для совмещения с кавитационными отверстиями 33 и 37 предотвращается неуправляемое высвобождение разрушительных кавитационных пузырьков в секциях без кавитационных отверстий. Это достигается с помощью формы внутренней поверхности 23 внешнего ротора 5 в зонах 205 воронки между направляющими буферами 201 и отражающими буферами 202. Данная наклонная поверхность имеет спиральную форму, что иллюстрируется радиальными расстояниями, если измерять от центральной продольной оси A устройства 10. Как показано на Фиг. 3, один радиус R2, измеряемый от точки центральной оси устройства, таков, что R2 меньше другого радиуса R4. Разница в радиусе и спиральная форма внутренней поверхности 23 внешнего ротора 5 создают пилообразную форму 31. Данная конфигурация создает перепад давления, критичный для образования кавитационных вакуумных пузырьков, на пилообразной форме 31.
Наружная поверхность 21 роторной головки выполнена с рядом разнесенных кавитационных отверстий 33 данной глубины и длины окружности. Отверстия 33 взаимодействуют с пилообразной формой 31 и спиральной формой внутренней поверхности 23 внешнего ротора 5 с обеспечением непрерывного и нарастающего формирования вакуумных пузырьков в регулярном расположении кавитационных отверстий 33 роторной головки 19. Тепло образуется посредством процессе кавитации текучей среды фактически без разрушительного воздействия на роторную головку 19 или кавитационные отверстия 33. Во время работы внешний ротор 5 вращается в направлении по часовой стрелке, см. Фиг. 4. Текучая среда сжимается в ходе цикла вращения внешнего ротора 5, и давление возрастает в зоне 25 и 17 кавитации текучей среды. Вход на пилообразные формы 31 и 35 обеспечивает область расширения, которая вызывает быстрое падение давления, и это снижение давления обеспечивает формирование кавитационных пузырьков и последующее взрывание в кавитационных отверстиях 33 и 37.
После входа в зону 25 текучая среда выходит из зоны 25 через несколько отверстий 34 на задней поверхности 36 внешнего ротора 5. Эта выходящая текучая среда затем входит в другую зону 17 кавитации текучей среды, образованную в пространстве между внутренней поверхностью 15 корпуса 9 и наружной поверхностью 13 внешнего ротора 5. В действительности текучая среда включается в дополнительный процесс кавитации, который имеет противоположное направление с вращающимся потоком текучей среды в первый процесс кавитации, происходящий в зоне 25 между наружной поверхностью 21 роторной головки и внутренней поверхностью 23 внешнего ротора 5.
Корпус 9 имеет аналогичную спиральную конфигурацию на своей внутренней поверхности 15 с соответствующей пилообразной формой 35, образованной за счет разности радиусов, показанной на Фиг. 3. А именно, радиус R1 меньше радиуса R3 в целях формирования пилообразной формы 35 в зонах 206 воронки между направляющими буферами 203 и отражающими буферами 204.
Внешний ротор 5 содержит кавитационные отверстия 37, аналогичные отверстиям в роторной головке 19.
Текучая среда, выходящая из первой зоны 25 кавитации, вводится во вторую зону 17 нагрева или кавитации. Затем вращающаяся текучая среда вводится в регулярное расположение кавитационных отверстий 37 внешнего ротора точно таким же образом, каким текучая среда вводится в отверстия 33 в роторной головке 19. Разница между камерами 17 и 25 заключается в ориентации пилообразных форм 31 и 35. Конфигурации пилообразных форм 35 и 31 противоположны.
Иначе говоря, как показано на Фиг. 3, для поверхности 23 внешнего ротора 5 спираль увеличивающегося радиуса распространяется в направлении по часовой стрелке — от короткого радиуса R2 к длинному радиусу R4. Для поверхности 15 корпуса 9 увеличение радиуса происходит в направлении против часовой стрелки — от короткого радиуса R1 к длинному радиусу R3. Это означает, что грани пилообразных форм 31 и 35 противоположны друг другу. Как видно из Фиг. 5, пилообразная форма 35 имеет грань 39, которая показана в прямоугольной конфигурации. Однако грань 39 может быть также наклонной. Спиральная конфигурация гарантирует максимальное формирование вакуумных пузырьков и взрывание пузырьков, приводящее к выделению тепла. Процесс двойной сбалансированной кавитации в зоне 17 и зоне 25 происходит одновременно. Таким образом, за один цикл вращения двигателя и внешнего ротора 5 текучая среда дважды подвергается обработке кавитацией.
Для процесса кавитации также желательно, чтобы первичные пилообразные формы 31 и 35 были совмещены в состоянии покоя, как показано на Фиг. 3. То есть, чтобы пилообразные формы 31 и 35 находились в положении на 6 часов.
A
Так как корпус 9 неподвижен, а устройство располагают так, что ось A горизонтальна, установка пилообразной формы 35 в это положение не составляет проблем. Один из способов получения пилообразной формы 31 внешнего ротора 5, которая за счет его соединения с двигателем может быть перемещена в это положение, заключается в том, чтобы внешний ротор 5 был сбалансирован с помощью нескольких выпускных отверстий 34 таким образом, чтобы в отсутствии подачи энергии от двигателя 1 внешний ротор 5 возвращался в надлежащее исходное положение в отношении внутренней пилообразной формы 31 и наружной пилообразной формы 35. При таком исходном положении достигается максимальное образование тепла текучей среды в ходе обработки. Хотя положение пилообразной формы внешнего ротора может отличаться от положения на 6 часов, даже отклоняться до 90 градусов в любую из сторон, эффективность кавитации снижается при отклонении от предпочтительного исходного положения. Нахождение пилообразных форм 31 и 35 в положении на 6 часов предпочтительно и потому, что это облегчает запуск устройства с точки зрения заливки (вход 29 совмещен с пилообразной формой 31, так как устройство функционирует не только как устройство для кавитации жидкости, но и подобно насосу, всасывающему жидкость в устройство 10 и выпускающему ее. Отклонение от положения на 6 часов в сторону положения на 3 или 9 часов снижает падение давления на пилообразной форме и/или ослабляет кавитацию. При изменении данной конфигурации зон 215 кавитации путем установки в другие положения, такие как положение на 3 или 9 часов, вместе с изменением длины L дуги кавитационное устройство поглощает тепло текучей среды и создает эффект охлаждения, сохраняя при этом неразрушительный характер кавитационного устройства.
Затем подвергаемая кавитации текучая среда покидает кавитационное устройство 10 через выпускное отверстие 41 в крышке 27 под низким давлением (<1 атмосферы). Чтобы достичь максимальной эффективности и устранить разрушительный элемент кавитации, система в целом должна включать в себя, как минимум, контроллер 301 двигателя с переменной частотой вращения, устойчивый к гидравлическому удару резервуар 303 для выпускаемой воды и входной накопительный резервуар 304. Устойчивый к гидравлическому удару резервуар 303 для выпускаемой воды устанавливают на давление 12–15 фунт/кв. дюйм, что гарантирует надлежащее устранение шума нагревания воды, тогда как входной накопительный резервуар 304 позволяет кавитационному устройству 10 работать с потоком текучей среды под давлением окружающей среды. Так как каждое физическое свойство текучей среды меняется с возрастанием температуры, как указано в таблице на Фиг. 9 для воды, важно, чтобы частота вращения двигателя непрерывно регулировалась в целях контроля частоты вращения для обеспечения процесса кавитации, в частности, для управления расстоянием от зоны 215 кавитации до кавитационных отверстий 33, 37. Регулирование частоты вращения двигателя в зависимости от физических характеристик текучей среды при любой данной температуре или другом переменном параметре обеспечивает подержание расстояния от зон 205 воронки до кавитационных отверстий 33, 37 в целях неразрушительной кавитации. Оптимизацию процесса кавитации для обрабатываемой текучей среды обеспечит дополнительная панель 302 управления за счет контроля температуры текучей среды на датчиках 307 на впуске и выходе кавитационного устройства 10. Кроме того, с целью улучшения рабочих характеристик системы для определенных областей применения, таких как очистка, могут быть установлены регулировочные клапаны 306 с перепускным каналом 308. Нагретую текучую среду можно использовать в любой известной области применения, где применяют нагретую текучую среду.
Изобретение основано на осознании того, что цели создания кавитационного устройства для нагрева текучей среды, лишенного известных проблем кавитационного нагревательного устройства предыдущего уровня техники, можно достичь за счет наличия в зона или камерах 17 и 25 ограничивающей формы или препятствия, содержащего пилообразную форму 35, направляющие буферы 203 и отражающие буферы 204 между наружной поверхностью 13 вращающегося внешнего ротора и внутренней поверхностью 15 корпуса 9, и такого же ограничения или препятствия виде пилообразной формы 31, направляющих буферов 201 и отражающих буферов 202 между наружной поверхностью 21 роторной головки и внутренней поверхностью 23 внешнего ротора. Благодаря такой конструкции внутренней поверхности 15 корпуса 9 и внутренней поверхности 23 внешнего ротора 5 можно непрерывно обеспечивать взрывание вакуумных пузырьков. За счет обеспечения конструкции спиральных поверхностей 15 и 23, направляющих буферов 201 и 203, отражающих буферов 202 и 204, которая придает форму воронки подлежащей нагреву жидкости, окружающей вакуумные пузырьки в отверстиях при взрыве, может быть снижается кавитационный шум, а также уменьшаются или устраняются другие вредные эффекты кавитации, например, эрозия комплектующих деталей и т. п.
Следует понимать, что значительным отличием от конструкции Fabian является то, что конструкция с двумя камерами или зонами, показанная на Фиг. 1–10, может быть изменена таким образом, чтобы получить конструкцию лишь с одной камерой, и она все равно будет функционировать со всеми преимуществами с помощью одного приводного двигателя. Таким образом, роторная головка 6 может быть изготовлена без кавитационных отверстий и действовать только в качестве канала для подачи жидкости в зону 17 между корпусом 9 и внешним ротором 5. В еще одном варианте осуществления можно обойтись без роторной головки 6, так что нагрев жидкости будет достигаться взаимодействием только между внешним ротором 5 с кавитационными отверстиями 37, корпусом 9 с его специально сконфигурированной внутренней поверхностью 15 и надлежащими впускными и выпускными отверстиями. Такая адаптация изобретения делает возможными прикладные конфигурации нескольких размеров с двигателем различных размеров, которые могут быть приспособлены для кавитационного устройства 10 с целью обеспечения энергоэффективности в требуемой области применения.
Хотя однокамерное устройство обеспечивает нагретую жидкость, избегая многих связанных с кавитацией проблем, присущих устройствам известного уровня техники, предпочтительнее использовать вариант осуществления, изображенный на Фиг. 1–10, в котором установлен внешний ротор с неподвижной роторной головкой 19, внешняя поверхность которого снабжена дополнительными кавитационными отверстиями 33. Данная конфигурация в совокупности с соответствующими компонентами системы позволяет роторному насосу производить тепловую энергию при значительно возросшем коэффициенте использования потребляемой энергии, преодолевая при этом традиционные проблемы предыдущих систем, такие как акустические звуковые волны (шум), поломки подшипников и потери энергии из-за высокого давления на выходе.
Настоящее изобретение относится к выделению тепловой энергии для использования в подаче текучей среды для нагрева, или в системах охлаждения, очистки и сепарации текучей среды, а также в тепловой обработке, для выполнения которой требуется тепло. Кроме того, изобретение позволяет высвобождать энергию за счет процесса кавитации при меньшем потреблении энергии, чем в традиционных системах котлов или печах, и значительно снижает затраты на энергию и монтаж системы очистки с аналогичными возможностями. Сбалансированный внутренний неподвижный ротор 19, внешний ротор 5, пилообразные формы 31 и 35, направляющие буферы 201 и 203, отражающие буферы 202 и 204, совмещенные корпус 9 и крышка 27 обеспечивают уникальные физические характеристики для выработки тепла с повышенным коэффициентом отдачи потребленной энергии при сохранении тепловых характеристик.
Настоящее изобретение включает в себя эти уникальные характеристики компонентов таким образом, что текучая среда, которая формируется с помощью тепла, сохраняется в течение длительных периодов времени и, следовательно, требует меньше циклов потребления энергии.
Настоящие изобретение уникально в том, что многостадийный процесс кавитации первоначально выполняется с помощью основной кавитационной роторной головки, которая неподвижна, при этом внешний ротор действует в качестве центрифужного источника для первоначального процесса и кавитационного элемента второй стадии. Как внешний ротор, так и корпус ротора имеют пилообразные формы для усиления процесса кавитации. Это позволяет системе максимально повышать энергию выделяемую в процессе кавитации, сохраняя при этом низкое давление на выпуске, чтобы исключить потерю энергии за счет перехода текучей среды в газообразное состояние. Конфигурация согласно настоящему изобретению такова, что шум, обычно связанный с процессом кавитации, сводится к минимуму и контролируется.
Как объяснено выше, спиральная конфигурация поверхностей 15 и 23 вместе с направляющими буферами 201 и 203, отклоняющими буферами 202 и 204 являются важными признаками изобретения. Эта конфигурация позволяет создавать и выращивать вакуумные пузырьки в отверстиях 33 и 37. Вакуумные пузырьки образуются среди молекул в отверстиях 33 и 37 и окружаются текучей средой, подлежащей нагреву. Когда пузырьки достигают кавитационных отверстий 33 и 37, они в действительности не взрываются, а разрушаются.
В соответствии со способом в корпус 9 помещен внешний ротор 5, который вращается с помощью приводного двигателя 1. Во время вращения в корпус 9 через вход 29 вводят подлежащую нагреву текучую среду. Среди молекул жидкости в отверстиях 33 роторной головки 6, при наличии таковой, и в отверстиях 37 внешнего ротора 5 с помощью вращения непрерывно создаются постоянно растущие вакуумные пузырьки. После того, как вакуумные пузырьки достигают кавитационной ступени 31 или 35, они разрушаются. В противном случае подлежащая нагреву текучая среда непрерывно протекает через камеры 25 и 17, причем вакуумные пузырьки разрушаются в расширяющейся жидкости после прохождения через зоны 205 воронки. При разрушении молекулы жидкости, движущиеся в противоположных направлениях, взрываются. Тепло, выделяемое во время взрыва, поглощается окружающей жидкостью, и нагретую жидкость в конечном счете извлекают через выход 41.
Преимущество кавитационного устройства в соответствии с изобретением заключается в успешном устранении или сокращение вредных воздействий явления кавитации за счет использования каналов потока, выполненных с возможностью нагрева жидкости, и с помощью процедуры эксплуатации оборудования.
Возвращаясь к вариантам осуществления, рассмотренным выше, в одном варианте осуществления используется единственное вращающееся кавитационное тело, имеющее отверстия в нем, причем отверстия открыты к наружной поверхности кавитационного тела. Этот кавитационное тело вращается внутри корпуса и взаимодействует с кавитационной ступенью, которая находится на внутренней поверхности корпуса. Во время этого вращения в отверстиях вращающегося тела образуются кавитационные пузырьки. Пузырьки в конечном счете вырастают настолько, что они больше не могут ограничиваться отверстиями и врезаются в кавитационную ступень. Это столкновение приводит к взрыву молекул жидкости, который высвобождает энергию, вызывающую нагрев воды.
В другом варианте осуществления имеются два набора отверстий, один на наружной поверхности вращающегося тела, а другой на наружной поверхности второго неподвижного компонента, находящегося внутри вращающегося тела. В данном варианте осуществления с двойным набором отверстий кавитационная ступень или пилообразная форма для отверстий на наружной стороне вращающегося тела находится на внутренней поверхности корпуса. Кавитационная ступень для отверстий на наружной поверхности неподвижной роторной головки находится на внутренней поверхности вращающегося тела.
Конфигурация системы согласно изобретению позволяет кавитационному устройству производить тепловую энергию при значительно возросшем коэффициенте использования потребляемой энергии, преодолевая при этом традиционные проблемы предыдущих систем, такие как акустические звуковые волны (шум), поломки подшипников и потери энергии за счет высокого давления на выходе. Система, состоящая из панели 302 управления, контроллера 301 двигателя с переменной частотой вращения, устойчивого к гидравлическому удару резервуара 303 для выпускаемой воды, входного накопительного резервуара 304 и регулировочными клапанами 306 с перепускным каналом 308, улучшает возможности кавитационного устройства 10.
Настоящее изобретение при помощи механических средств вырабатывает нагретую воду при снижении коэффициента потребления энергии на 30–70% (в зависимости от объема текучей среды в системе) за счет сбалансированной кавитационной печи.
Другой особенностью изобретения является способность устройства увеличивать плотность нагреваемой текучей среды, например воды. Поскольку известно, что для нагрева более плотной воды требуется меньше энергии, увеличение плотности воды помогает повысить эффективность процесса нагрева текучей среды.
Для контроля эффекта нагрева устройства в соответствии с изобретением было проведено испытание. Испытание включало в себя эксплуатацию кавитационного устройства с использованием разных объемов воды, подлежащей нагреву, и контроль температуры воды на входе, объема расхода воды, температуры воды на выходе кавитационного устройства, температуры подаваемой в устройство воды, мощности приводного двигателя, потребления электричества, значений мощности, потребления электрической энергии и температуры окружающей среды. Испытание показало высокую эффективность с точки зрения количества тепла, переданного в воду, по сравнению с энергией, использованной для работы устройства.
Изобретение, как таковое, было описано в виде предпочтительных вариантов его осуществления, которые удовлетворяют всем без исключения целям настоящего изобретения, как указано выше, и обеспечивают новое и улучшенное устройство для нагрева текучей среды с помощью кавитации.
Разумеется, специалисты в данной области техники могут предположить различные изменения, модификации и альтернативные варианты осуществления идей настоящего изобретения в пределах его заявленной сущности и объема. Предполагается, что данное изобретение ограничено лишь условиями приложенной формулы изобретения.