ТЕПЛОПАРОГЕНЕРАТОР ПРИВОДНОЙ КАВИТАЦИОННЫЙ

Область применения
Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в системах отопления зданий, промышленных корпусов, транспортных средств, подогрева воды для бытовых и производственных нужд.
Уровень техники
В настоящее время широко применяются тепловые насосы, использующие изменения физико-механических параметров среды для получения тепловой энергии. Известен теплогенератор и устройство для нагрева жидкости, патент РФ №2045715, МПК 6 F 25 В 29/00, от 26.04.1993 г, включающий корпус с цилиндрической частью, ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, торцевая сторона которого соединена с цилиндрической частью корпуса. В основании цилиндрической части, противолежащей циклону, смонтировано тормозное устройство.
Известен также теплогенератор приводной кавитационный, патент РФ №2201562, МПК 7 F 24 J 3/00, от 19.05.1999 г, включающий корпус, в котором расположены относительно подвижные рабочие органы, вход и выход которых гидравлически сообщены посредством циркуляционного канала с дросселирующим элементом. Рабочие органы, по меньшей мере, один из которых связан с приводным двигателем, выполнены в виде оппозитно расположенных дисков, установленных с гарантированным зазором между их торцами, снабженными прилегающими между собой канавками, расположенными на взаимодействующих рабочих торцах дисков наклонно друг другу.
К недостаткам указанных технических решений относится технологически сложное изготовление их элементов. В частности, применение лабиринтного уплотнения оправдано при высокой температуре, но проблематично его применение для создания высокой герметичности.
Из уровня техники известна заявка на изобретение РФ №2002119773 на кавитационно-вихревой теплогенератор, содержащий корпус, имеющий патрубки для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой жидкости, расположенные внутри корпуса перфорированные статор и ротор, нагнетательный насос, привод ротора, отличающийся тем, что статор и ротор выполнены в виде соосных дисков, перфорированных сквозными отверстиями, при этом, статор выполнен в виде одного или нескольких кольцевых дисков,
а ротор выполнен в виде двух соосных дисков, установленных с зазором относительно друг друга, при этом диски ротора смонтированы на независимых валах, имеющих самостоятельные независимые приводы, и вращаются навстречу друг другу. Недостатком данной заявки является то, что данное устройство требует использования дополнительного привода для обеспечения вращение дисков ротора в противоположных направлениях, что снижает КПД из-за использования механического привода и усложняет механизм сальников, а также требует применения нагнетательного насоса, имеющего целью создание избыточного давления для передачи нагретой жидкости во внешнюю среду.
Заявляемое изобретение отличается от данного устройства тем, что крыльчатки предназначены для обеспечения выноса жидкости из корпуса, что снижает давление на подшипники (в данном случае они выполнены в виде скользящих подшипников на основе графитовых вкладок и фторопластовых колец уплотнения, также в данном устройстве не используется накопленная потенциальная энергия пароводяной смеси, отсутствуют перепускные клапаны и расширительный блок, что не обеспечивает работу устройства в достаточно широком диапазоне температур и объемов создаваемой рабочей жидкости (пароводяной смеси) при одной и той же мощности привода электродвигателя.
Из уровня техники известна заявка на изобретение РФ №2004132354 на вихревой теплогенератор гидросистемы, содержащий приводной насосный источник потока жидкости, выход из которого сообщен с соплом, расположенным в периферийной области большего диаметра конусообразного соплового аппарата, по меньшей мере один выходной канал которого через внешнюю гидросистему сообщен с всасывающим каналом насосного источника потока жидкости, отличающийся тем, что насосный источник потока жидкости выполнен в виде рабочего колеса по типу колеса центробежного насоса с покрывными дисками, установленного в сопловом аппарате в зоне его наибольшего диаметра, выходное сечение рабочего колеса перекрыто ободом с образованием периферийной кольцевой камеры высокого давления внутри колеса, а сопло выполнено в по меньшей мере одной торцевой стенке кольцевой камеры колеса на ее периферии в виде рассредоточенных по периферийному диаметру кольцевой камеры проходных дросселирующих каналов.
Данное устройство обладает большой технической сложностью, и малооправдано, причем одновременное применение и акустического и импульсного генераторов при одновременном механическом воздействии с наличием большого количества дросселирующих клапанов при наличии соосных дросселирующих клапанов внутри
устройства, требует достаточно высоких прецизионных технологий по регулировки, всего лишь для получения эффекта нагрева жидкости.
Так же система в качестве привода использует приводной насосный источник потока жидкости, что также предусматривает наличие электрического или иного источника механической энергии.
Следует также заметить, что в данном устройстве не используется внутренняя уже накопленная потенциальная энергия нагретого рабочего тела воды (пароводяной среды), что, как указано выше, значительно снижает потребность в потреблении электрической энергии для получения тепла.
Также применение в данном устройстве для создания крутящего момента рабочего органа применяется насосный источник потока жидкости, то есть внутреннее трение жидкости о стенки устройства, и известные эффекты торможения в криволинейных каналах значительно снижают КПД данного устройства по сравнению с заявляемым изобретением, где в качестве рабочего тела для привода роторов вихревого генератора используется пароводяная смесь, где давление передается по закону Паскаля по всем направлениям без изменения, и, следовательно, устройство сопла для подачи пароводяной смеси, сведено к формированию круглого отверстия в корпусе теплопарогенератора в тангенциальном направлении к середине (центру) лопатки реактивной турбины.
То есть, при равных условиях получения тепловой энергии достижение эффекта нагрева, в предлагаемом изобретении достигается с большим КПД, при более простом и технологическом решении, при минимальных регулировках, без использования экологически опасных акустических и электромагнитных воздействиях.
Для диэлектрического вещества как вода применение акустических и электромагнитных воздействий для улучшения эффекта кавитации более чем сомнительно.
Так же спектр шумовых и электромагниты излучений может быть ограничением по применению данного устройства на различных производствах.
Из уровня техники известен патент РФ №2165054 на способ получения тепла путем подачи воды в вихревой теплогенератор, формирования вихревого потока воды в нем и обеспечения кавитационного режима течения вихревого потока при резонансном усилении возникающих в этом потоке звуковых колебаний с последующим отводом получаемого в вихревом теплогенераторе тепла от выходящего потока воды к потребителю, отличающийся тем, что температура предварительно нагретой воды, подаваемой в вихревой теплогенератор, составляет 63-90°С.
Данное техническое решение предусматривает кавитационный режим при резонансном усилении возникающих в вихревом потоке звуковых колебаний, путем подбора скорости вращения насоса, или длины столба воды перед фильерой, или величины напора воды, подаваемой в теплогенератор, или длины столба воды в вихревой трубе вихревого теплогенератора.
Анализ изобретения показывает, что для каждой системы нагрева жидкости существует достаточно большая неоднозначность в параметрах системы и следовательно для данного изобретения не получен эффект преимущественного приоритетного технического решения.
Данное техническое решение по сравнению с заявляемым изобретением также как указано в тексте к тому же генерирует радиационный фон, который имеет место накапливаться с течением времени.
Такое устройство после нескольких лет работы потребует достаточно сложной технологии уничтожения, как системы, содержащей радиоактивные нуклеотиды.
Следовательно, воплощение данного решения на практике требует соответствующего радиоактивного наблюдения и соответствующей службы и разрешений, что приведет к огромных экономическим затратам применения данного технического решения по сравнению с заявляемым изобретением.
Из уровня техники известен патент РФ №2201561 на теплогенератор кавитационного типа, сообщенный с насосом-побудителем, выход которого подключен к входному каналу вихревой форсунки, снабженной осевым выходным соплом, отличающийся тем, что на выходе сопла расположен выполненный в виде осесимметричной камеры по меньшей мере один резонатор автоколебаний.
Данное изобретение обладает свойством возникновения резонансных колебаний внутри резонирующих полостей, что требует определенной упругости среды перед фазой кавитации. Известно, что при возникновении резонансных явления в замкнутых объемах наблюдается эффект гидравлического удара и ударных волн.
В технике гидравлические удары приводят к разрушению и периодическим нагрузкам на соединительные и другие механические части в области резонансных эффектов.
Совместно с процессами кавитации этот эффект может приводить к быстрому старению и износу элементов и устройств вихревого генератора.
В отличии от данного изобретения заявляемое изобретение обладает повышенной износоустойчивостью, долговечностью и простотой в проведении ремонтных и регламентных работ, что экономически выгодно отличает его, также в предлагаемом
изобретении используется уже накопленная потенциальная энергия пара растворенного в водяной среде.
Из уровня техники известно устройство по патенту РФ №2212597 на способ повышения эффективности теплогенератора кавитационного типа, работающего в замкнутом циркуляционном контуре, в котором расход циркуляции жидкости, проходящей через кавитационный теплогенератор, задают насосом, отличающийся тем, что величину давления в контуре циркуляции на входе в насос для текущего рабочего значения температуры жидкости в контуре и заданной геометрии рабочего канала теплогенератора задают по максимуму производной dq/dt, где q - количество тепла по теплосчетчику, отводимого от теплогенератора, ограничивая минимальное давление на входе в насос величиной, обеспечивающей его безкавитационную работу для рабочего значения температуры жидкости в контуре циркуляции. Данное изобретение предусматривает сложную систему компенсационного типа векторного управления (производная по теплу, от времени, температура, определение оптимальной точки изменения и т.д.), при этом, как известно, теплота определяется скалярной величиной и может быть регулируема посредством параметрического управления, а некомпенсационного. В частности, в предлагаемом изобретении при максимальной температуре пароводяной смеси и регулирующим перепускным клапанам и термоклапане, устанавливается предельно достижимый тепловой режим при отсечке состояния перегрева и переносе тепла, как по внутреннему, так и по внешнему контурам системы водяного отопления.
Что обеспечивает и простоту и надежность и эксплуатационную эффективность при низких затратах на использование предлагаемого изобретения.
Из уровня техники известен патент РФ №2234355 на испарительный опреснитель, содержащий испаритель с емкостью со свободным уровнем жидкости, сообщенной через нагнетатель пара с конденсационным устройством, теплообменник подогрева поступающей для опреснения холодной морской воды, каналы отвода дистиллята и отвода рассола, отличающийся тем, что емкость со свободным уровнем жидкости снабжена, по меньшей мере, одной вихревой камерой, гидравлически сообщенной с выходным и входным каналами кавитационно-вихревого приводного теплогенератора с образованием контура циркуляции опресняемой жидкости в испарителе и, по меньшей мере, одной гидравлически сообщенной с указанным контуром циркуляции сепарационной камерой, сообщенной с каналом отвода рассола, причем теплообменник конденсационного устройства сообщен по теплу с контуром циркуляции опресняемой воды в испарителе.
Данное изобретение имеет целью выполнение функций опреснителя при использовании тепловых вихревых теплогенераторов. В качестве приводных устройств для вихревых теплогенераторов используется насос контура циркуляции дистиллята, который по теплу сообщен с контуром циркуляции опресняемой в испарителе жидкости через теплообменник конденсационного устройства.
Практически это означает, что контур перерабатываемого тела - опресняемая жидкость и рабочая жидкость дистиллят разделены и последний - дистиллят используется в качестве рабочего тела для нагнетателя пара, который выполнен в виде приводной высоконапорной гидромашины, например, лопастного типа.
В заявляемом изобретении контур рабочего тела и нагреваемой жидкости находятся в сообщающихся контурах через два разделительных клапана и термоклапан и через расширительный блок для организации утилизации процесса парообразования, что существенно упрощает конструкцию получения пара и механической энергии для привода вихревого теплопарогенератора. Такое решение обеспечивает уменьшение числа элементов для создания процесса конденсации пароводяной смеси посредством расширителя и реактивной турбины с одновременной утилизацией потенциальной энергии пароводяной смеси.
Известен патент РФ №2235950, МПК 7 F 24 J 3/00, от 22.07.2002 г, на кавитационно-вихревой теплогенератор, содержащий корпус, имеющий патрубки для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой жидкости, расположенные внутри корпуса перфорированные статор и ротор, нагнетательный насос, привод ротора, отличающийся тем, что статор и ротор выполнены в виде дисков, перфорированных сквозными отверстиями, при этом статор выполнен в виде одного или нескольких кольцевых дисков, а ротор выполнен в виде двух дисков, установленных с зазором относительно друг друга, при этом диски ротора смонтированы на независимых валах, имеющих самостоятельные независимые приводы, и вращаются навстречу друг другу. Недостатками данной конструкции является то, что выполнение дисков статора и ротора осуществляется от двух электродвигателей теплогенератора. Наличие редуктора в виде ременной передачи, сложная система патрубков и малая ремонтопригодность также относятся к недостаткам этого теплогенератора. Данное техническое решение принято за ближайший аналог (прототип).
Технической задачей заявляемой полезной модели является создание устройства, обеспечивающего быстрый нагрев жидкости до образования пара, при одновременном упрощении конструкции теплопарогенератора и использование внутренней
потенциальной энергии пара и пароводяной смеси для привода оппозиционно вращающихся дисков теплопарогенератора и применение клапанов для создания широкого диапазона парогенераторных установок с возможностью их настройки при фиксированной мощности электрического двигателя теплопарогенератора.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показано конструктивное устройство теплопарогенератора, где содержит: реактивную турбину 1, расширительный блок 2, направляющее сопло для реактивной турбины 3, выход для первой крыльчатки обратного канала 4, первый вход в теплопарогенератор 5, второй вход в теплогенератор 6, выход для второй крыльчатки 7, основной выход теплопарогенератора 8, основной вход в теплогенератор 9, первую разделительную стенку 10, первую крыльчатку 11, вторую разделительную стенку 12, первый диск теплопарогенератора 13, третью разделительную стенку 14, второй диск теплопарогенератора 15, третий диск теплопарогенератора 16, четвертую разделительную стенку 17, четвертый диск теплопарогенератора 18, пятую разделительную стенку 19, вторую крыльчатку 20, корпус теплопарогенератора 21, электродвигатель 22, раму 23, 24 и 25 крышки теплопарогенератора, 26 - первый обратный клапан, 27 - второй обратный клапан, 28 - третий термоклапан;
На Фиг.2 показана реактивная турбина (вид с торца);
На Фиг.3 показана первая разделительная стенка (вид с торца);
На Фиг.4 показана первая крыльчатка (вид с торца);
На Фиг.5 показана вторая крыльчатка (вид с торца);
На Фиг.6 показаны диски теплопарогенератора, присоединенные к валу первой крыльчатки (вид с торца);
На Фиг.7 показаны диски теплопарогенератора, присоединенные к валу второй крыльчатки, вид с торца;
На Фиг.8 показана разделительная стенка с перепускными отверстиями (вид с торца);
На Фиг.9 показана первая разделительная стенка (вид с торца);
Сущность изобретения
Указанный технический результат достигается тем, что теплопарогенератор приводной кавитационный содержит рабочий орган, состоящий из корпуса, крышек, рабочих дисков вихревого генератора, первой и второй крыльчаток, разделительных стенок, двух обратных клапанов, третьего термоклапана, расширительного блока для формирования пароводяной смеси и реактивной турбины, диски теплопарогенератора выполнены с
выемками в виде шаровых сегментов и нанесенными на торцы дисков направляющими каналами, образующими по три вихревых спиральных канала с каждой стороны диска, также по цилиндрической поверхности дисков под углом 15 градусов к их образующей нанесены направляющие каналы, для направления пароводяной смеси вдоль оси теплопарогенератора в сторону второй крыльчатки. Эти каналы формируют устойчивое вихревое движения пароводяной смеси от центра к периферии дисков и вихревое движение вдоль поверхности рабочих дисков через отверстия в разделительных стенках, что усиливает процессы кавитации.
Отличительными признаками заявляемого изобретения является то, что выход второй крыльчатки через третий термоклапан присоединен к основному выходу теплопарогенератора и к расширительному блоку, внутри которого размещен второй обратный клапан и третий термоклапан, выход расширительного блока присоединен к направляющему соплу реактивной турбины, на валу реактивной турбины находится первая крыльчатка и диски теплопарогенератора, между реактивной турбиной и первой крыльчаткой размещена первая разделительная стенка с эксцентрично размещенном отверстием, выход первой крыльчатки через первый обратный клапан присоединен ко второму входу теплопарогенератора, первый вход теплопарогенератора соединен с основным входом в теплопарогенератор, на валу второй крыльчатки содержатся диски вихревого генератора и он соединен с валом электродвигателя, диски вихревого генератора выполнены с выемками в виде шаровых сегментов и нанесенными на торцы дисков направляющими каналами, образующими по три вихревых спиральных канала с каждой стороны диска, также по цилиндрической поверхности дисков под углом 15 градусов к их образующим нанесены направляющие каналы, диски присоединенных к валу первой крыльчатки и диски, присоединенные к валу второй крыльчатки имеют зеркальное размещение направляющих каналов, образующими по три вихревых спиральных канала с каждой стороны диска и вращаются в противоположных направлениях, между дисками вихревого генератора размещаются разделительные стенки имеющие по периферии отверстия для образования каналов движения пароводяной смеси вдоль оси теплопарогенератора от второй разделительной стенки ко второй крыльчатке, вторая разделительная стенка выполнена сплошной без отверстий.
Теплопарогенератор отличается тем, что в корпусе находится реактивная турбина и две крыльчатки, вращающиеся в противоположные стороны, первая крыльчатка вращается совместно с реактивной турбиной, вторая крыльчатка от электродвигателя.
Теплопарогенератор отличается тем, что выход первой крыльчатки присоединен ко второму входу теплогенератора через первый перепускной клапан, а первый вход в
теплопарогенератор непосредственно присоединен к основному входу теплопарогенератора.
Теплопарогенератор отличается тем, что выход второй крыльчатки присоединен через третий термоклапан к основному выходу теплопарогенератора и присоединен к расширительному блоку, в котором размещен второй обратный клапан, выход расширительного блока присоединен к направляющему соплу для реактивной турбины. Теплопарогенератор отличается тем, что диски, присоединенные к валу второй крыльчатки имеют зеркальное размещение направляющих каналов, образующими по три вихревых спиральных канала с каждой стороны диска и вращаются в противоположных направлениях.
При исследовании отличительных признаков заявляемого изобретения не выявлено каких-либо известных аналогичных решений.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, имеющейся в распоряжении заявителя, выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных признаков по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию «Новизна».
Принцип работы устройства
Теплопарогенератор работает следующим образом.
После заполнения теплосети рабочей жидкостью (водой) включается привод электродвигателя 22, приводящий в движение рабочие диски 16 и 18 (Фиг.6), которые вращается вместе с жидкостью, находящейся в полости между диском 15 (Фиг.7), четвертой 17 и пятой 19 (Фиг.8) разделительными стенками и корпусом 21, а также движение рабочих дисков 13 и 15 (Фиг.7) от привода реактивной турбины 1 (Фиг.2), между разделительными стенками 12, 14 (Фиг.8).
При этом жидкость перемещается от центральной зоны полости к периферии, закручивается, испытывает циклы сжатия и разрежения - кавитацию, образованию которой способствуют: выемки в виде шаровых сегментов дисков 13, 15, 16, 18 и нанесенными на торцы дисков 13, 15, 16, 18 направляющих каналов, образованных тремя
вихревыми спиральными каналами с каждой стороны диска 13, 15, 16, 18, и по каналам в разделительных стенках 12, 14, 17, 19 (Фиг.8) и каналам под углом 15 градусов к образующей цилиндрической поверхности дисков 13, 15, 16, 18 пароводяная смесь перемещается вдоль оси теплопарогенератора в сторону второй крыльчатки Выполнение выемок в виде шаровых сегментов на разделительных стенках 12, 14, 17, 19, и нанесенные на их торцы направляющих каналов, образованных тремя вихревыми спиральными каналами с каждой стороны вызывают формирование устойчивого вихревого движения пароводяной смеси от центра к периферии дисков и вихревое движение вдоль поверхности дисков 13, 15, 16, 18 через отверстия в разделительных стенках 14, 17, 19, что усиливает процесс кавитации. Создаются многотысячные зоны разрежения и сжатия, возникает трение между рабочими дисками 13, 15, 16, и 18, корпусом 21 и жидкостью.
При достижении температуры жидкости (воды) 95-105 градусов по Цельсию на выходе второй крыльчатки (Фиг.5) срабатывает третий термоклапан 28. и через второй обратный клапан 27. жидкость (вода) поступает в расширительный блок 2., где происходит резкое вскипание жидкости (воды) и соответственно резкое повышение давления, при котором второй обратный клапан 27. закрывается, и пароводяная смесь при критической температуре парообразования - Ткр и критическом давлении Ркр, поступает из расширительного блока 2 через направляющее сопло для реактивной турбины 3 на реактивную турбину 1 (Фиг.2), которую приводит во вращение. При преобразовании потенциальной энергии перегретого пара в механическую энергию вращения реактивной турбины 1, происходит снижение температуры пара и понижается давление, пар превращается в водяную мелкодисперсную смесь (туман), которая поступает через первую разделительную стенку 10 (Фиг.3), через эксцентрично размещенное отверстие в нижней ее части в область первой крыльчатки 11 (Фиг.4), мелкодисперсная смесь (туман) собирается в нижней части области первой крыльчатки 11 (Фиг.4).
Вращением крыльчатки 11, за счет центробежных сил обеспечивается вынос мелкодисперсной смеси (туман) и образующейся воды через первый обратный клапан 26. и второй вход в теплопарогенератор в зону между дисками 15 и 16 теплопарогенератора. Из системы отопления по основному входу в теплопарогенератор 9, через первый вход в теплопарогенератор 5 поступает жидкость (вода) в область между второй разделительной стенкой 12 (Фиг.9), и диском 15 теплопарогенератора. При вращении дисков 13 и 15 теплопарогенератора происходит процесс аналогичный процессам, происходящим между диском 15 и пятой разделительной стенкой 19 - процесс нагрева.
В заявляемом техническом решении присутствуют три известных физических явления: трение при быстром вращении воды; кавитационные пузырьки в потоке воды; синтез молекул воды, т.е. их соединение в ассоциаты. Установлено, при соединении 10% молекул воды в ассоциаты вода мгновенно закипает. Таким образом, происходит интенсивный нагрев жидкости и/или образование пара, в зависимости от частоты вращения, количества выемок на рабочих поверхностях рабочих дисков, разделительных стенок и корпуса.
Для разгрузки теплопарогенератора во время его эксплуатации предусмотрен третий термоклапан 28, второй обратный клапан 27, расширительный блок 2, через который при осуществляется отбор внутренней энергии перегретого пара посредством преобразования в механическую энергию на реактивной турбине 1, и возврата охлаждаемой на реактивной турбине 1 воды через первый обратный клапан 26 на второй вход в теплопарогенератор 6. При этом получаемая механическая энергия на реактивно турбине 1, используется (утилизируется) в самом теплопарогенераторе, что позволяет экономить на мощности электродвигателя 22 или расширить диапазон мощности процессов парообразования путем регулировки параметров первого обратного клапана 26, второго обратного клапана 27 и третьео термоклапана 28.
Заявляемое изобретение используется в системах отопления зданий, промышленных корпусов, для подогрева, дезинфекции воды для бытовых и производственных нужд. В будущем предполагается использование в транспортных средствах, что обеспечит получение горячей воды и пара экологически чистым способом, т.к. не сопровождается выбросом в атмосферу отравляющих веществ или радиоактивных излучений. Исходя из вышеизложенного, заявляемое техническое решение соответствует критерию «Промышленная применимость».