РОТОРНЫЙ КАВИТАЦИОННЫЙ ПАРОГЕНЕРАТОР

Полезная модель относиться к теплоэнергетике, в частности к производству тепловой энергии иначе, чем в результате сгорания топлива, может быть использована для производства пара и для организации технологических процессов, требующих тепловой обработки: подогрева нефти, мазута, парафина, нагрева, обезжиривания и очистки паром, для стерилизации тары, дезинфекции, пропарки. Парогенераторы применяются для обработки молочной, мясной и рыбной продукции; в пищевой промышленности; приготовления комбикормов в животноводстве; в пивоварении; легкой, фармацевтической, деревообрабатывающей и других видах промышленности и на предприятиях бытового обслуживания.
Известно несколько принципиальных конструкций парогенераторов для получения пара, различающиеся по способу парообразования и виду используемого топлива.
Это паровые котлы, в которых происходит внешний нагрев котла и нагреваемой в нем воды до температуры парообразования.
Недостатком этой конструкции является необходимость нагревать весь объем котла, тепловые потери на внешний нагрев котла и выброс в атмосферу значительной части теплоты продуктов горения и вследствие этого низкий КПД.
Электрические парогенераторы электродного типа нагревают воду непосредственно внутри котла электрическими нагревательными элементами (ТЭНами) или открытыми электродами, через которые проходит электрический ток. Недостатками этой конструкции является значительное снижение КПД (до 0,3) в процессе эксплуатации в связи с образованием слоя «накипи» на нагревательных элементах и низкая электробезопасность.
Парогенераторы, в которых образование пара происходит в специальной камере, когда непосредственно в среду высокотемпературных газов подается распыленная вода, где она мгновенно испаряется. Продукты сгорания смешиваются с паром, вследствие этого КПД может достигать 99%. Недостатками этой конструкции является низкое (до 1 атм.) давление пара, и присутствие продуктов сгорания в паре, что позволяет использовать его только в технических целях.
Общим недостатком всех этих вышеназванных устройств является необходимость делать химическую водоподготовку, т.е. очистку воды от содержащихся
в ней солей. Начальная жесткость воды во многом определяет ресурс парогенератора и стоимость пара.
Известно устройство вихревого кавитационного теплогенератора, состоящего из разъемного корпуса, имеющего входной патрубок для входа холодной воды, кольцевого патрубка для сбора воды и пара, пассивного диска, расположенного в верхнее части корпуса и приводящегося в высокооборотное вращение, закрепленный на валу активный диск. Вода подается на вход устройства в центр на вращающийся диск и отбрасывается по радиусу на периферию диска, а затем отводится из выходного отверстия в кольцеобразном патрубке. При прохождении воды через незамкнутую полость с последующим выходом ее через круговое отверстие в кольцевой патрубок со скоростью до 95 метров в секунду, до 110 метров в секунду и свыше 110 метров в секунду производится соответственно горячая вода температурой до 100°С, пар и перегретый пар (см. патент на изобретение РФ №2233408, МПК F 24 J 3/00).
Недостатком описанного устройства является то, что процесс получения пара требует 8000-13000 об/мин., что технически трудно исполнимо и небезопасно в случае разрушения устройства.
Наиболее близким к предлагаемому решению является теплогенератор, содержащий герметичную емкость, заполненную жидким теплоносителем, в которой размещены оппозитно неподвижные тарельчатые рабочие органы и расположенный между ними с гарантированным зазором S, закрепленный на приводном валу подвижный дискообразный рабочий орган, имеющий на своих торцевых поверхностях равномерно расположенные по окружности наклонные относительно друг друга завихрители, и патрубки подачи и отбора жидкого теплоносителя (см. патент на изобретение №2242684, МПК F 24 J 3/00).
Недостатком является его неприменимость для получения пара при обеспечении достаточной эффективности устройства. Процесс парообразования требует предварительного подогрева воды до необходимой температуры на входе и длительного периода выхода воды и пароводяной смеси вместо пара. Кроме этого устройство критично к регулировке давления на выходе и, в случае падения давления на выходе, производит пар, сильно насыщенный водой или переходит в режим водонагревателя.
Задачей предлагаемого решения является получение пара за один проход воды с любой начальной температуры без ее предварительного подогрева и химической водоподготовки при повышении качества получаемого пара за счет гарантированного разделения теплоносителя на жидкую и парообразную фазу.
Поставленная задача решается тем, что в роторном кавитационном парогенераторе, содержащем корпус, состоящей 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, согласно решению, 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.
Диск закреплен на валу посредством ступицы.
Вал имеет керамическое торцевое уплотнение, имеющее систему принудительного охлаждения и смазки.
Парогенератор снабжен дополнительным отверстием, расположенным соосно с входным отверстием в противоположной крышке, при этом отверстия соединены между собой или дополнительно содержит отверстия в крышках, расположенные на периферии и соединенные в замкнутый контур.
Завихрители выполнены в виде радиально ориентированных канавок в периферийной области диска и аналогичных канавок, расположенных оппозитно на боковых крышках (на чертеже не показаны) и в виде отверстий, расположенных оппозитно на цилиндрической поверхности диска и статоре.
В периферийной части диска выполнены компенсационные отверстия для выравнивания гидравлического давления в области между передней и задней крышками.
Корпус может быть выполнен теплоизолированным.
Отличие предлагаемого решения заключается в том, что вода подается под давлением непосредственно в рабочую зону устройства, которая образуется вследствие гарантированного радиального и осевого зазора между диском и статором. Вода, попадающая на вращающийся диск, по аналогии с центробежным насосом отбрасывается в направлении периферийной части диска и уравновешивает входное давление воды. Таким образом, вода «запирается» в узком зазоре между ротором и статором. Вследствие воздействия на воду сил трения, кавитации и т.д., она начинает интенсивно нагреваться и закипает. Образующийся пар под давлением поступает в выходной конус устройства, расположенный в зоне центральной части диска. При этом даже мельчайшие капли влаги или конденсата, присутствующие в паре, отбрасываются вращающимся диском на периферию в зазор между ротором и статором для
последующего нагревания. При этом обеспечивается стабильная граница раздела жидкой и паровой фазы, внутренняя сепарация влаги и получение «сухого пара». Задача повышения КПД решается вследствие обеспечения устойчивого, нерегулируемого процесса кавитации в устройстве на всех эксплуатационных режимах.
Технические параметры пара и производительность устройства в широких пределах определяются давлением и дозировкой воды на входе устройства и мощностью приводного двигателя.
Полезная модель поясняется чертежами, где приведен общий вид парогенератора - вид сбоку, где:
1. кольцо-статор;
2. передняя боковая крышка корпуса;
3. задняя боковая крышка корпуса;
4. диск (ротор);
5. входной патрубок;
6. дополнительный патрубок;
7. выходной патрубок - конус;
8. вал;
9. ступица вала
10. ступица диска;
11. торцевое керамическое уплотнение;
12. система принудительного охлаждения и смазки;
13. муфта привода устройства;
14. завихрители;
15. завихрители;
16. компенсационные отверстия
17. установочный кронштейн
18.теплоизоляция.
Устройство состоит из корпуса, содержащего кольцо-статор 1, переднюю 2 и заднюю 3 боковые крышки, имеющие отверстия для подачи воды, внутренние поверхности которых являются неподвижными рабочими органами. На передней боковой крышке 2 установлен в выходном отверстии выходной патрубок в виде конуса 7 для отбора получаемого пара. Входной патрубок 5 может быть подключен непосредственно к входному отверстию на задней крышке 3. Для компенсации скачков давления пара может быть выполнено дополнительное отверстие в передней крышке
напротив входного отверстия, при этом данные отверстия соединены дополнительным патрубком 6, конструктивно совмещенным с входным патрубком 5.
Возможен вариант выполнения двух дополнительных отверстий с противоположных сторон крышек, соединенных между собой дополнительным патрубком в виде замкнутого контура. В полости между неподвижными рабочими органами с гарантированным зазором вращается диск 4, закрепленный на валу 8 с помощью ступицы диска 10. На торцевых поверхностях диска имеются завихрители 14, представляющие собой радиально расположенные канавки. На радиальной поверхности диска завихрители 15 выполнены в виде цилиндрических углублений. Аналогичные завихрители расположены оппозитно на кольце - статоре 1 и боковых крышках 2, 3. В диске имеются компенсационные отверстия 16. На валу установлено торцевое керамическое уплотнение 11, предохраняющее подшипниковый узел ступицы вала 10 от проникновения в него воды или пара. Торцевое уплотнение имеет специальную систему принудительного охлаждения и смазки 12, выполненную в ступице вала 9. Парогенератор устанавливается на установочные кронштейны 17 и приводится в действие электродвигателем с помощью приводной муфты 13. Для поддержания устойчивого режима парообразования корпус имеет теплоизоляцию 18.
Устройство работает следующим образом: вода под давлением, создаваемым внешним насосом, поступает в устройство через входной патрубок 5, соединенный с дополнительным патрубком 6, попадает на вращающийся диск 4 и отбрасывается силами инерции вращения на периферию диска. В зоне радиального зазора между диском 4 и кольцом-статором 1 и осевого зазора между диском 4 и передней 2 и задней 3 крышками образуется кольцеобразный слой воды, который уравновешивается с одной стороны входным давлением воды, с другой стороны силами инерции энергии вращающейся воды. В этом вращающемся кольце воды, имеющем постоянные параметры, под воздействием завихрителей 14, 15, создающих большие сдвиговые напряжения, срывы и пульсации жидкости, турбулентность и интенсивную кавитацию, вода начинает интенсивно нагреваться и переходит в парообразную фазу. Образующийся пар вследствие меньшей, чем вода инерции под давлением парообразования движется к центру диска и выходит через выходной патрубок - конус 7. Расход пара компенсируется подачей воды на входе. Мельчайшие капли воды и конденсата в паре вновь отбрасываются вращающимся диском в кольцо воды. При этом обеспечивается стабильная граница раздела жидкой и паровой фазы и внутренняя сепарация влаги из пара. Компенсационные отверстия 16 в пусковом режиме позволяют выровнять гидравлическое давление по обе стороны от диска 4.
Подшипниковый узел вала 8, расположенный в ступице вала 9 защищен от давления воды и пара торцевым керамическим уплотнением 11, которое имеет принудительную систему смазки и охлаждения 12.
Конструкция предлагаемого устройства обеспечивает быстрый выход парогенератора в рабочий режим при любой начальной температуре воды на входе, стабильные параметры парообразования без дополнительных регулировок при возможных эксплуатационных изменениях температуры и давления пара на выходе из парогенератора. В предлагаемом устройстве нагревается только то количество воды, которое необходимо для получения потребляемого пара «на проход». Патрубки могут быть выполнены с возможностью коммутации входного и выходного патрубков, что обеспечивает возможность работы на разных теплоносителях.
Предлагаемое решение позволяет также в отличие от технологии котлов или «бойлеров», устранять «холостые» режимы работы установки, если нет необходимости в постоянном потреблении пара, исключает необходимость нагрева всего котла воды до температуры парообразования.
Процесс нагрева воды способом вращения с за критическими скоростями дает возможность избежать соляных отложений (накипи) на теплообменных поверхностях, что позволяет использовать для получения пара любую воду без предварительной химической водоподготовки.
Благодаря изменению способа подачи воды и отбора пара, обеспечивается повышение эффективности и стабильности работы устройства за счет стабилизации процесса кавитации на всех эксплуатационных режимах и разделения жидкой и паровой фазы, внутренняя сепарация влаги и получение «сухого пара».