КАВИТАЦИОННЫЙ ТЕПЛОГЕНЕРАТОР
VORTEX HEAT GENERATOR

Изобретение относится к устройствам для нагрева жидкостей путем создания потоковой гидродинамической кавитации в проточной жидкой среде. Устройство относится к теплоэнергетике и может применяться для обогрева жилых и производственных помещений, для горячего водоснабжения, приготовления эмульсий, суспензий, диспергирования различных материалов, обеззараживания жидкостей и жидких пищевых продуктов, для обеззараживания воды на очистных сооружениях, в плавательных бассейнах, улучшения качества дизельного и бензинового топлива, приготовления структурированной воды для рыборазводных заводов, замачивания семян и полива растений, а также для приготовления структурированной воды для сельскохозяйственных животных.
Известен теплогенератор для нагревания жидкости, содержащий корпус с отводящим трубопроводом, два сужающе-расширяющихся кавитационных насадка, сужающаяся-расширяющаяся части каждого из которых соединены цилиндрическим каналом, отличающийся тем, что кавитационные насадки установлены в корпусе осесимметрично и оппозитно расширяющимися частями с возможностью осевого перемещения (патент RU 2298741, опубл. 10.05.2007).
Известен теплогенератор, содержащий корпус, имеющий профилированную проточную часть с цилиндрическим участком, соединенным с выходным патрубком, ускоритель движения, выполненный в виде циклона с тангенциальным сопловым закручивающим аппаратом, торцевая сторона циклона соединена с профилированной частью корпуса, а боковая через патрубок - с насосом, тормозные устройства, основное и дополнительное, расположенное в перепускном патрубке после зоны его соединения с циклоном, сообщающимся с входным концом байпасного трубопровода, выходной конец которого соединен с входным патрубком насоса, отличающийся тем, что соосно внутренней боковой поверхности цилиндрического участка установлены расположенные одна в другой две цилиндрические оболочки, боковые поверхности которых вместе с боковой поверхностью цилиндрического участка образуют два независимых кольцевых канала и цилиндрический канал, образованный внутренней боковой поверхностью внутренней оболочки, имеющей в направлении циклона профилированный сопловой участок, при этом цилиндрический и внутренний кольцевые каналы со стороны выходного патрубка закрыты крышкой, разделяющей внутреннюю полость цилиндрического участка на две независимые полости, одна из которых образована внутренним кольцевым и цилиндрическим каналами, а другая, сообщающаяся с выходным патрубком, - внешним кольцевым каналом, при этом основное тормозное устройство размещено в кольцевых каналах цилиндрического участка (патент RU 2272227, опубл.: 20.03.2006).
Известно гидравлическое кавитационное устройство, включающее корпус и размещенные в нем последовательно входной элемент, резонирующую полость, промежуточный патрубок, резонирующую полость, промежуточный патрубок, внезапно расширяющийся насадок Борда, отличающееся тем, что входной элемент выполнен в виде круглоцилиндрического насадка Вентури, кольцевая резонирующая полость - диаметром, равным 3 диаметрам входного элемента, и длиной, равной 3 диаметрам входного элемента, промежуточные патрубки выполнены аналогично входному элементу, вторая резонирующая камера по устройству аналогична первой и внезапно расширяющийся насадок - диаметром, равным 3 диаметрам входного элемента, и длиной, равной 5 диаметрам входного элемента (патент RU 2359763, опубл. 27.06.2009).
Гидравлическое кавитационное устройство включает корпус и размещенные в нем последовательно конфузоры и диффузоры в количестве от 2 до 14 штук, через которые проходит тело вращения, установленное с некоторым зазором, затем расположено тормозное устройство. Поток жидкости подается насосом в устройство, где ему придается вращение против часовой стрелки по направлению движения жидкости при помощи неподвижно установленных лопаточек, закрепленных на конфузорах. Жидкость, проходя зоны сужений и расширений, кавитирует и за счет этого нагревается. Также за счет кавитации происходит гомогенизация жидких смесей, разрушение длинных цепочек углеводородов в жидком топливе и растворение парафинов в дизельном топливе, за счет чего температура замерзания дизельного топлива снижается на 10 градусов по Цельсию. После тормозного устройства жидкость проходит через цилиндрическую часть устройства, где происходит смешение с жидкостью, проталкиваемой через устройство дополнительным циркуляционным насосом.
Недостатком всех вышеописанных устройств является то, что они имеют сложность изготовления, им требуется настройка.
Известно устройство для нагрева жидкостей, содержащее электронасосный агрегат, теплогенератор, теплообменники, расширительный бачок, трубную разводку с запорной арматурой и автоматику управления электроприводом и тепловым режимом, причем входной и выходной патрубки насоса соединены между собой посредством трубопровода и образуют замкнутый рециркуляционный контур, в который встроен теплогенератор, подающий и обратный трубопроводы теплообменников присоединены через запорную арматуру к рециркуляционному контуру, а расширительный бачок присоединен посредством трубопровода к входному патрубку насоса, отличающееся тем, что теплогенератор выполнен в виде диффузорного насадка, создающего в результате кавитации интенсивное парообразование, отношение диаметров живого сечения выходного патрубка насоса к трубопроводу, подающему теплоноситель в теплообменники, равно или больше 2,5, а подающий и обратный трубопроводы присоединены соответственно к выходному и входному патрубкам насоса (патент RU 2153131, опубл.: 20.07.2000).
В этом аналоге (RU 2153131) кавитация достигается за счет прохождения через один диффузорный насадок. Это является недостатком аналога. В заявленном изобретении кавитация достигается несколькими насадками, что увеличивает эффективность устройства.
В аналоге кавитация также достигается за счет того, что центробежный насос прокачивает воду через диффузорный насадок, в котором она проходит через узкое сечение, где происходит парообразование. Это является недостатком данного аналога, так как центробежный насос не рассчитан на то, чтобы создавать большое давление. В этом случае насос работает с большой нагрузкой, электродвигатель нагревается выше допустимого предела, что может привести к его выходу из строя. Но это не единственный недостаток. При такой большой нагрузке на лопастях насоса происходит усиленный кавитационный износ, который резко сокращает как эффективность насоса, так и срок его службы.
Также недостатком аналога является конструкция самого диффузорного насадка с узким соплом. В случае кавитационного износа сопла эффективность кавитации резко снижается, что снижает эффективность всего теплогенератора. В этом случае требуется замена всего диффузорного насадка.
В заявленном нами изобретении этих недостатков нет, так как его работа основана на другом принципе. А именно (см. Фиг. 1) насос работаете максимальной мощностью, так как площадь кольцевого зазора между поверхностью обтекателя 4 и сужением конфузора 3 соответствует площади нагнетающего патрубка насоса. При такой нагрузке двигатель может работать в круглосуточном режиме без риска перегрева. Также работают лопасти насоса - в режиме, предусмотренном заводом-изготовителем. В кавитаторе, в случае кавитационного износа и увеличения зазора больше допустимого в зонах «б», «с», «д», «е» и «ж», нужный зазор легко восстанавливается следующим образом: нужно ослабить контрагайку 12 и вращением обтекателя 4 по резьбе 13 выставить нужный зазор, затем завернуть контрагайку 12.
Недостатком аналога также является его маленькая мощность, а именно то, что он не может сразу выйти на рабочий режим и предварительно ему нужно «разогнаться», чтобы поднять температуру до рабочей, для этого вода при каждом пуске вначале движется по замкнутому рециркуляционному контуру при закрытой запорной арматуре, для которой предусмотрено автоматическое управление. При этом расходуется лишняя электроэнергия на привод насоса, что влечет за собой увеличение затрат на электроэнергию, снижение ресурса насоса и электродвигателя, увеличение времени нагрева и в целом снижение эффективности теплогенератора. В предлагаемом устройстве этот недостаток отсутствует, так как его мощность позволяет сразу же при включении принимать остывшую воду из системы отопления через патрубок 6 и тут же выдавать горячую воду в систему через патрубок 4. При этом не расходуется лишняя электроэнергия и ресурс насосного агрегата.
В аналоге отсутствует элементы, увеличивающие скорость движения жидкости, что имеет большое значение для нагрева жидкости. В предлагаемом устройстве эти недостатки отсутствуют. Задача решена путем установки наклонных лопаточек, придающих вращение жидкости и установке обтекателя в виде тела вращения, что дает прирост скорости движения жидкости примерно на 10%.
3
3
Также недостатком аналога является его низкая мощность. В описании патента приводится пример, что «В соответствии с сущностью изобретения был изготовлен образец устройства для нагрева жидкостей на базе центробежного насоса K 65-50-160. Устройство было испытано в режиме отопления помещения, состоящего из трех комнат с общим объемом 200 м…». Данный насос комплектуется электродвигателем мощностью 5,5 кВт. Это является недостатком, так как существует методика определения мощности электропривода для кавитационных теплогенераторов, где для того, чтобы определить необходимую мощность, нужно объем помещения в метрах кубических разделить на 90. Если применить эту методику, то получится: 200:90=2,2 кВт. В предлагаемом устройстве этот недостаток отсутствует, так как для нагрева помещения объемом 200 м достаточно консольного центробежного насоса марки К 20/18 с электродвигателем 2,2 кВт. Наиболее близким аналогом является теплогенератор, содержащий снабженный цилиндрической частью корпус, в основании которого размещено тормозное устройство и блок ускорителей движения жидкости, отличающийся тем, что в нем дополнительно установлен по крайней мере еще один корпус с цилиндрической частью, причем цилиндрические части всех установленных корпусов выполнены в виде вихревых труб, соединенных с торцевой стороной блока ускорителей движения жидкости, выполненного в виде улитки, каждая из которых оснащена расположенной соосно осевой линии вихревой трубы ускорительной втулкой, нижний торец последней расположен в плоскости верхнего торца вихревой трубы, а верхний - в нижней плоскости верхнего коллектора, герметично установленного над блоком ускорителей движения (патент RU 2132517, опубл. 27.06.1999). Решение принято за прототип.
В прототипе дополнительно установлен корпус с цилиндрической частью, причем цилиндрические части всех установленных корпусов выполнены в виде вихревых труб, соединенных с торцевой стороной блока ускорителей движения жидкости, выполненного в виде улитки, каждая из которых оснащена расположенной соосно осевой линии вихревой трубы ускорительной втулкой. Дополнительные корпуса снижают скорость течения жидкости, что способствует снижению КПД теплогенератора. В заявленном нами изобретении такой недостаток отсутствует, так как отсутствуют дополнительные корпуса. Теплогенератор состоит кавитатора, смесителя и насоса. Рабочая жидкость нагнетается насосом в кавитатор, из кавитатора через смеситель снова поступает в приемный патрубок насоса. Этим техническим решением достигается максимальная скорость течения жидкости и упрощение конструкции в сравнении с прототипом.
В прототипе блок ускорителей движения жидкости выполнен в виде улиток, каждая из которых оснащена расположенной соосно осевой линии вихревой трубы ускорительной втулкой. В заявленном же изобретении эти элементы отсутствуют. Ускорение движения жидкости осуществляется дополнительным элементом - обтекателем, а также несколькими конфузорами, установленными каскадом, где жидкость, проходя через каждый конфузор, ступенчато увеличивает свою скорость.
В прототипе работа теплогенератора основана на периодических колебаниях жидкости, создаваемых лопатками насоса, которые образуют волновое движение, имеющее пучности и разрежения в продольном направлении. Так как напорная труба смещена относительно торцов глушителя в отношении 3/5, то волны после отражения от торцов глушителя встречаются пучностями, несущими основную энергию волны, в противофазе. Происходит гашение волны и выделение основной доли теплоты. Этот способ нагрева имеет существенный недостаток, так как он требует очень точной настройки каждого образца теплогенератора. А так как насосы даже одного завода-изготовителя имеют разные технические характеристики, то каждый теплогенератор необходимо настраивать на конкретный насос. Но даже при идеальной первоначальной настройке в процессе работы и воздействия кавитации на рабочие лопасти насоса его технические характеристики меняются и поэтому эффект нагрева может пропасть.
В заявленном изобретении такой недостаток отсутствует, так как основан совершенно на другом принципе. Причем теплогенератор будет генерировать тепло даже в том случае, если его укомплектовать насосом, мощность которого в 2 раза меньше расчетной. В этом случае количество производимой им тепловой энергии также снизится в 2 раза, но и потребление электроэнергии также сократится вдвое.
В прототипе также есть много лишних элементов, усложняющих конструкцию:
- каждый инжекционный патрубок состоит из соосно установленных и жестко соединенных между собой коноидального насадка с цилиндрической частью, дросселя, вихревого патрубка с размещенным внутри него завихрителем;
- к сетевому насосу присоединен напорный трубопровод, на противоположном конце которого установлен глушитель, один выход которого соединен верхним трубопроводом с верхнем коллектором,
- другие выходы через инжекционные патрубки - с блоком ускорителей движения жидкости, причем каждый выходной патрубок вихревой трубы теплогенератора сообщается с нижним коллектором.
В заявленном изобретении такие элементы отсутствуют, а для завихрения жидкости применено другое техническое решение - к каждому конфузору на входе приварены под наклоном лопаточки (на эскизе не показано), которые придают жидкости вращательное движение.
Техническим результатом изобретения является повышение плотности кавитации в непрерывном потоке жидкости или суспензии, вынос процесса «схлопывания» кавитационных пузырьков в зону торможения, где не происходит разрушение рабочих поверхностей, упрощение конструкции устройства, долговечность устройства и простота работы с ним.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен кавитационный теплогенератор, содержащий смеситель и насос, причем кавитатор состоит из корпуса, который закреплен фланцами к насосу и к смесителю, отличающийся тем, что внутри корпуса кавитатора расположены приваренные к нему конфузоры и диффузор, через которые проходит обтекатель, выполненный из цельного металла и закрепленный к корпусу, причем обтекатель установлен таким образом, чтобы между ним и всеми конфузорами кроме последнего по ходу движения воды оставался зазор, который расположен в верхней части обтекателя, а последний по ходу движения воды конфузор имеет кольцевой зазор между поверхностью обтекателя и сужением конфузора, где площадь кольцевого зазора соответствует площади нагнетающего патрубка насоса.
Предпочтительно, положение обтекателя выполнено с возможностью смещения посредством регулировки резьбового соединения и стопорения контргайкой.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показано устройство кавитатора.
На Фиг. 2 показано устройство теплогенератора.
Осуществление изобретения
Теплогенератор (см. Фиг. 2) состоит кавитатора 16, смесителя 18 и насоса 14. Кавитатор (см. Фиг. 1) состоит из корпуса 2, который крепится фланцами 1 к насосу 14 и к смесителю 18. Внутри корпуса расположены приваренные к нему конфузоры 3, 6, 7, 8, 9, 10 и диффузор 5, через которые проходит обтекатель 4, выточенный из сплошного куска металла и который крепится к корпусу посредством планки 11. Положение обтекателя 4 регулируется резьбовым соединением 13 и стопорится контрогайкой 12. Обтекатель устанавливается таким образом, чтобы между ним и конфузорами 6, 7, 8, 9 и 10 оставался зазор, который расположен в верхней части обтекателя 4. Последний по ходу движения воды конфузор 3 имеет кольцевой зазор между поверхностью обтекателя 4 и сужением конфузора 3, где площадь кольцевого зазора соответствует площади нагнетающего патрубка насоса. Величина зазора зависит от плотности рабочей жидкости. Кавитатор работает следующим образом (см. Фиг. 2). Насос 14 под действием электродвигателя 15 нагнетает в кавитатор 16 жидкость холодной воды из входного патрубка 19, которая поступает в конфузор 3. Диаметр сужения конфузора меньше его широкой части в 2 раза. Поэтому скорость потока жидкости при прохождении сужения в зоне «а» возрастет в два раза. Далее жидкость проходит зону «g», где посредством диффузора 5 создается область разрежения, что увеличивает скорость потока еще в 2 раза. Другими словами, скорость начального потока, создаваемого насосом, увеличивается в 4 раза.
Далее поток жидкости, формируемый конфузором 3, создает разрежение в зоне «b», куда устремляется поток жидкости, поступивший в конфузор 6. Этот поток входит в конфузор 6 с той же скоростью, с какой его «тянет» за собой основной поток, прошедший через конфузор 3. Но, проходя через область сужения в зоне «b», поток увеличивает свою скорость в 2 раза.
Далее, жидкость, проходя очередную «ступень» в виде конфузора, увеличивает свою скорость в 2 раза. Исходя из этого следует, что скорость жидкости при прохождении 6-й «ступени», увеличит свою скорость в 128 раз. Если начальная скорость жидкости, создаваемая насосом, равна 3 м/с, то при прохождении последней «ступени», создаваемой конфузором 10, ее скорость будет равна 384 м/с, что превышает скорость звука на воздухе. Известно, что вращение потока жидкости увеличивает его скорость примерно на 5%. Для увеличения скорости потока конфузоры приварены под наклоном лопаточки, придающие потоку жидкости вращение по спирали. Также известно, что если в поток жидкости поместить обтекатель в виде тела вращения, скорость потока возрастет на 5%. Следовательно, к скорости движения жидкости, создаваемой конструкцией и расположением конфузоров, нужно добавить еще 10%.
В жидкости, движущейся со сверхзвуковой скоростью, возникает интенсивная кавитация, которая приводит к эффективному нагреву рабочего тела. Чем больше в устройстве «ступеней», тем выше его эффективность.
На выходе из теплогенератора выдается горячая вода через выходной патрубок 17.
Теплогенератор осуществляет нагрев теплоносителя без сжигания топлива, только за счет движения воды.
При прокачивании через устройство вода приобретает кластерную структуру.
При прокачивании через устройство соляра снижается температура замерзания топлива на 10 градусов по Цельсию, разрушаются длинные цепочки углеводородов, разрушается несгораемый остаток (без добавления присадок); при прокачивании через устройство бензина разрушаются длинные цепочки углеводородов, разрушается несгораемый остаток (без добавления присадок).
3
Процесс нагрева. В устройстве по кругу циркулирует теплоноситель при помощи консольного или подобного насоса. При прохождении через области сужения и расширения в теплоносителе возникает кавитация, за счет чего и осуществляется нагрев. Через тело устройства дополнительным циркуляционным насосом прокачивается теплоноситель из системы отопления. Например, в теплогенераторе мощностью 37 кВт при прокачивании через него теплоносителя в количестве 1,8 м/ч, разница температур между поступающей и выходящей жидкостью составляет 17-20 градусов по Цельсию.
Процесс структурирования воды. В устройстве по кругу циркулирует вода при помощи консольного или подобного насоса. При прохождении через области сужения и расширения в воде возникает кавитация и завихрения, за счет чего и осуществляется структуризация. Через тело устройства дополнительным циркуляционным насосом прокачивается вода из системы водоснабжения. Можно прокачивать воду не по кругу, а на потоке, через прямой участок устройства, содержащий кавитатор. В этом случае дополнительный циркуляционный насос не требуется.
Процесс гомогенизации. В устройстве по кругу циркулирует дизельное топливо или бензин при помощи консольного или подобного насоса. При прохождении через области сужения и расширения в топливе возникает кавитация, за счет чего и осуществляется гомогенизация. Через тело устройства дополнительным циркуляционным насосом прокачивается топливо из танка. Можно прокачивать топливо не по кругу, а на потоке, через прямой участок устройства, содержащий кавитатор. В этом случае дополнительный циркуляционный насос не требуется.