МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ВИХРЕВОЙ ТЕПЛОГЕНЕРАТОР (ВАРИАНТЫ)
MULTI-FUNCTIONAL VORTEX HEAT GENERATOR (VERSIONS)

Изобретение относится к области теплоэнергетики для нагрева жидкости в системах отопления, горячего водоснабжения и может быть использовано в химической, пищевой, строительной отраслях и т.д., где требуются тонкий помол, смешение, активация, деструкция жидких и сыпучих материалов.
В настоящее время широко применяются тепловые насосы, использующие изменения физико-химических параметров для получения тепловой энергии. Известны теплогенератор и устройство для нагрева жидкости (патент РФ №2045715, МПК 6 F25B 29/00, опубл. 10.10.1995 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 F24J 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 вышеуказанных технических решений относится технологически сложное изготовление их элементов. В частности, применение лабиринтного уплотнения оправдано при высокой температуре, проблематично его применение для создания высокой герметичности.
Известен патент РФ №2201561 С2, МПК 7 F24J 3/00 (опубл. 27.03.2003 г.) на теплогенератор кавитационного типа, сообщенный с насосом-побудителем, выход которого подключен к выходному каналу вихревой форсунки, снабженной осевым выходным соплом, причем на выходе сопла расположен выполненный в виде ассиметричной 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 явлений 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, износу элементов и устройств теплогенератора.
Известен патент РФ №2362947 С2, МПК 7 F24J 3/00 (опубл. 27.07.2009 г.) на теплогенератор кавитационный, содержащий рабочий орган, состоящий из корпуса, крышек, рабочих дисков теплогенератора первой и второй крыльчаток, разделительных стенок, двух обратных клапанов, третьего термоклапана, расширительного блока для формирования пароводяной смеси и реактивной турбины, причем диски теплогенератора 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° к их образующей нанесены направляющие каналы для направления пароводяной смеси вдоль оси теплогенератора в сторону крыльчатки.
Недостатком данной конструкции является то, что при работе теплогенератора допускается фазовый переход в парообразное состояние или граничное состояние, когда диапазон выделения энергии перемещается в оптический или звуковой диапазон, т.е. когда превалирующим становится процесс приповерхностной кавитации в оптическом и низкочастотном диапазоне, который разрушает поверхность рабочих органов, на которых образуются кавитационные пузырьки. Совместно с процессами кавитации этот эффект приводит к быстрому старению и износу элементов и устройств теплогенератора.
Сложность конструкции и малая ремонтопригодность также относятся к недостаткам этого теплогенератора.
Известен патент РФ №2235950 С2, МПК 7 F24J 3/00 от 10.09.2004 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, причем статор и ротор выполнены в виде дисков, перфорированными 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 установлены на независимых валах, имеющих самостоятельные независимые приводы, и вращаются навстречу друг другу.
Недостатком данной конструкции является недостаточная скорость нагревания жидкости, и конструкция устройства обладает большой технической сложностью при изготовлении, ремонте и ненадежностью в работе. Данное техническое решение принято за ближайший аналог (прототип) для трех вариантов предлагаемых технических решений.
Решаемой технической задачей заявляемых изобретений является создание устройств, обеспечивающих более высокую скорость нагрева жидкости (вода, растворы, смеси и т.д.) высокоскоростной обработкой, получение максимальной поверхности трения жидкости, упрощение конструкции, а следствием этого, повышение надежности в работе и расширение области применения.
Решаемая техническая задача в многофункциональном вихревом теплогенераторе по его первому варианту, содержащем закрытый корпус с патрубками для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой жидкости, установленные внутри корпуса роторы, выполненные в виде двух дисков, закрепленных на независимых валах, имеющих независимые приводы и имеющие возможность вращаться навстречу друг другу, достигается тем, что введены всасывающие турбины, которые жестко закреплены на независимых валах вместе с дисками роторов, а в дисках роторов, напротив установленных турбин, по окружности выполнены сквозные конически-цилиндрические отверстия, направленные в полость между дисками, выше по радиусу которых радиально по окружности жестко установлены ряды пальцев, при этом пальцы выполнены так, что ряды пальцев одного диска свободно с зазором входят между рядами пальцев второго диска, а конически-цилиндрические отверстия одного диска расположены напротив конически-цилиндрических отверстий другого диска и каждый диск с турбиной снабжен отдельным патрубком, являющимися патрубками для подвода нагреваемой жидкости.
Решаемая техническая задача в многофункциональном вихревом теплогенераторе по его второму варианту, содержащем закрытый корпус с патрубками для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой жидкости, установленные внутри корпуса роторы, выполненные в виде двух дисков, закрепленных на независимых валах, имеющих независимые приводы и имеющие возможность вращаться навстречу друг другу, достигается тем, что введены всасывающие турбины, которые жестко закреплены на независимых валах вместе с дисками роторов, а в дисках роторов, напротив установленных турбин, по окружности выполнены сквозные конически-цилиндрические отверстия, направленные в полость между дисками, выше по радиусу которых радиально по окружности жестко установлены ряды пальцев, выполненные в виде эллипсоидных пальцев-лопаток, перфорированных сквозными конически-цилиндрическими отверстиями и установлены на дисках так, что отверстия в пальцах-лопатках направлены по ходу вращения дисков роторов и ряды пальцев-лопаток одного диска свободно с зазором входят между рядами пальцев-лопаток второго диска, а каждый электродвигатель снабжен устройством для регулирования частоты вращения.
Решаемая техническая задача в многофункциональном вихревом теплогенераторе по его третьему варианту, содержащем закрытый корпус с патрубками для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой жидкости, сборник нагретой жидкости, установленные внутри корпуса роторы, выполненные в виде двух дисков, закрепленных на независимых валах, имеющих независимые приводы и имеющие возможность вращаться навстречу друг другу, достигается тем, что введены всасывающие турбины, которые жестко закреплены на независимых валах вместе с дисками роторов, а в дисках роторов, напротив установленных турбин, по окружности выполнены сквозные конически-цилиндрические отверстия, направленные в полость между дисками, выше по радиусу которых радиально по окружности жестко установлены ряды пальцев, при этом пальцы выполнены так, что ряды пальцев одного диска свободно с зазором входят между рядами пальцев второго диска, а конически-цилиндрические отверстия одного диска расположены напротив конически-цилиндрических отверстий другого диска и каждый диск с турбиной снабжен отдельным патрубком, являющимися патрубками для подвода нагреваемой жидкости, вся внутренняя поверхность корпуса и наружная поверхность турбин, дисков с пальцами и валов привода, размещенных внутри корпуса, покрыты износоустойчивой керамикой, а выходы электродвигателей приводов роторов и датчика температуры сборника нагретой жидкости соединены с соответствующими входами блока управления.
На Фиг.1 показан схематично многофункциональный вихревой теплогенератор по первому варианту.
На Фиг.2 показан схематично многофункциональный вихревой теплогенератор по второму варианту.
На Фиг.3 показан схематично многофункциональный вихревой теплогенератор по третьему варианту.
На Фиг.4 показан первый диск теплогенератора, присоединенный к валу (вид с торца).
На Фиг.5 показан разрез первого диска по А-А.
На Фиг.6 показан второй диск теплогенератора, присоединенный к валу (вид с торца).
На Фиг.7 показан разрез второго диска по А-А.
На Фиг.8 показан палец-лопатка теплогенератора по второму варианту (вид сбоку).
На Фиг.9 показан разрез пальца-лопатки по А-А (по второму варианту).
Многофункциональный вихревой теплогенератор по первому варианту (Фиг.1, 4, 5, 6, 7) содержит закрытый корпус 1 с патрубками 2 для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой жидкости 3, сборник нагретой жидкости 4, установленные внутри корпуса 1 роторы 5, выполненные в виде двух дисков 6 и двух всасывающих турбин 7, жестко закрепленных на независимых валах 8 вместе с дисками 6 ротора 5. Валы 8 в корпусе 1 установлены в подшипниковых узлах 9 и имеют независимые приводы 10, подключенные к электродвигателям 11, причем валы 8 имеют возможность вращаться навстречу друг другу. В дисках 6 роторов 5 напротив установленных турбин 7 по окружности выполнены сквозные конически-цилиндрические отверстия 12, направленные в полость между дисками 6, выше по радиусу которых радиально по окружности жестко установлены ряды пальцев 13, при этом пальцы 13 выполнены так, что ряды пальцев 13 одного диска 6 свободно с зазором входят между рядами пальцев 13 второго диска 6, а конически-цилиндрические отверстия 12 одного диска 6 расположены напротив конически-цилиндрических отверстий 12 другого диска 6 и каждый диск 6 с турбиной 7 снабжен патрубком 2 для подвода нагреваемой жидкости. Ротор 5 теплогенератора представляет собой легкоразборную конструкцию, состоящую из диска 6 с пальцами 13, турбины 7 и вала 8, который перед сборкой теплогенератора проходит статистическую и динамическую балансировку. Балансировка позволяет уменьшить шум при работе теплогенератора и увеличить ресурс его работы. Сборник нагретой жидкости 4 через циркуляционный насос 14 подключают к системе отопления и снабжен датчиками температуры EVCO NTC TMF и уровня ОВЕН ПДУ, которые на чертеже не показаны. Корпус 1 и ротор 5 теплогенератора изготовлены из стойкой к коррозии (нержавеющей) стали ГОСТ 5632-72 1 группа. Общий вид и разрез дисков 6 представлен на Фиг.4, 5, 6, 7.
Многофункциональный вихревой теплогенератор по второму варианту (Фиг.2, 8, 9) содержит закрытый корпус 1 с патрубками 2 для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой жидкости 3, сборник нагретой жидкости 4, установленные внутри корпуса 1 роторы 5, выполненные в виде двух дисков 6 и двух всасывающих турбин 7, закрепленных на независимых валах 8 вместе с дисками 6 роторов 5. Валы 8 в корпусе 1 установлены в подшипниковых узлах 9 и имеют независимые приводы 10, подключенные к электродвигателям 11, причем валы 8 имеют возможность вращаться навстречу друг другу. В дисках 6 роторов 5 напротив установленных турбин 7 по окружности выполнены сквозные конически-цилиндрические отверстия 12, направленные в полость между дисками, выше по радиусу которых радиально по окружности жестко установлены ряды пальцев 13, выполненные в виде эллипсоидных пальцев-лопаток, перфорированных сквозными конически-цилиндрическими отверстиями 15 и закрепленных на дисках 6 так, что отверстия в пальцах - лопатках 13 направлены по ходу вращения дисков 6 и ряды пальцев-лопаток 13 одного диска 6 свободно с зазором входят между рядами пальцев-лопаток 13 второго диска 6 и каждый электродвигатель 11 снабжен устройством 16 для регулирования частоты вращения электродвигателей 11 с помощью частотного преобразователя Pump Drive (концеры KSB). Сборник нагретой жидкости 4 через циркуляционный насос 14 подключают к системе отопления и снабжают датчиками температуры EVCO NTC TMF и уровня ОВЕН ПДУ, которые на чертеже не показаны. Общий вид и разрез пальца-лопатки 13 представлен на (Фиг.8, 9). Внешний контур сечения по А-А пальца-лопатки 13 представляет собой эллипсоид, высота которого, например, 12 мм, а ширина его, например, 8 мм. Ротор 5 теплогенератора представляет собой легкоразборную конструкцию, состоящую из диска 6 с пальцами 13, турбины 7 и вала 8, который перед сборкой теплогенератора проходит статистическую и динамическую балансировку. Балансировка позволяет уменьшить шум при работе теплогенератора и увеличить ресурс его работы. Корпус 1 и роторы 5 теплогенератора изготовлены из стойкой к коррозии (нержавеющей) стали ГОСТ 5632 1 группа.
Многофункциональный вихревой теплогенератор по третьему варианту (Фиг.3) содержит закрытый корпус 1 с патрубками 2 для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой жидкости 3, сборник нагретой жидкости 4, установленные внутри корпуса 1 роторы 5, выполненные в виде двух дисков 6 и двух всасывающих турбин 7, закрепленных на независимых валах 8 вместе с дисками 6 роторов 5. Валы 8 в корпусе 1 установлены в подшипниковых узлах 9 и имеют независимые приводы 10, подключенные к электродвигателям 11, причем валы 8 имеют возможность вращаться навстречу друг другу. В дисках 6 роторов 5 напротив установленных турбин 7 по окружности выполнены сквозные конически-цилиндрические отверстия 12, направленные в полость между дисками, выше по радиусу которых радиально по окружности жестко установлены ряды пальцев 13, при этом пальцы 13 выполнены так, что ряды пальцев 13 одного диска 6 свободно с зазором входят между рядами пальцев 13 второго диска 6, а конически-цилиндрические отверстия 12 одного диска 6 расположены напротив конически-цилиндрических отверстий 12 другого диска 6. Каждый диск 6 с турбиной 7 снабжен патрубком 2 для подвода нагреваемой жидкости, а вся внутренняя поверхность корпуса 1 и наружная поверхность турбин 7, дисков 6 с пальцами 13 и валов 8 привода 10, размещенных внутри корпуса 1, покрыты износоустойчивой керамикой - оксидом циркония, а выходы электродвигателей 11 приводов 10 роторов 5, датчика температуры нагретой жидкости в сборнике 4 соединены с соответствующими входами блока управления 17, который представляет собой устройство плавного пуска электродвигателей 11 («ЭнержиСейвер» - «ЭСТС1», фирма ООО «Эффективные системы») с функцией энергосбережения. Устройство позволяет кроме функции включение-выключение электродвигателей 11 устранять «провалы» в питающей сети при пуске оборудования, снижать нагрев силовых кабелей, увеличивать срок службы оборудования и экономить электроэнергию до 30%. Ротор 5 теплогенератора представляет собой легкоразборную конструкцию, состоящую из диска 6 пальцами 13, турбины 7 и вала 8, который перед сборкой теплогенератора проходит статистическую и динамическую балансировку. Балансировка позволяет уменьшить шум при работе теплогенератора и увеличить ресурс его работы. Сборник нагретой жидкости 4 через циркуляционный насос 14 подключают к системе отопления и снабжают датчиками температуры EVCO NTC TMF и уровня ОВЕН ПДУ, которые на чертеже не показаны. Корпус 1 и роторы 5 теплогенератора изготовлены из обычной стали и покрыты методом напыления оксидом циркония.
Рассмотрим работу многофункционального вихревого теплогенератора по его первому варианту (Фиг.1). Теплогенератор работает следующим образом. После заполнения теплосети и закрытого корпуса 1 теплогенератора через входные патрубки 2 рабочей жидкостью (водой) включаются электродвигатели 11 приводов 10, приводящие в движение турбины 7 вместе с дисками 6 и жидкостью. Пройдя через турбины 7 с двух сторон и конически-цилиндрические отверстия 12 дисков 6, потоки жидкости делятся на множество мощных струй на каждом диске 6 и направляются навстречу друг другу, а затем после столкновения этих потоков отбрасываются за счет центробежной силы в перпендикулярном направлении между вращающимися в противоположных направлениях дисками 6 с пальцами 13. Пройдя обработку между рядами пальцев 13 дисков 6, жидкость за счет центробежной силы отбрасывается на стенку корпуса 1, а затем поступает через патрубок 3 в сборник жидкости 4, включенный в тепломагистраль, через циркуляционный насос 14.
В полости между дисками 6 с пальцами 13 образуются мощные вихревые потоки жидкости от центра к периферии дисков 6, что усиливает процесс кавитации. В результате внутри вихря образуется область разряжения, в которой происходит возникновение кавитационных пузырьков, а в областях повышенного давления во встречных потоках микропузырьки “лопаются” не у стенок дисков 6, а внутри потока жидкости с быстрым выделением энергии в тепловом инфракрасном диапазоне, не разрушая при этом диски 6 с пальцами 13. Регулирование температурного режима нагретой жидкости в сборнике 4 осуществляется включением-выключением электродвигателей 11 по сигналам датчика температуры, установленного в сборнике 4 нагретой жидкости. При достижении теплоносителем максимальной температуры, задаваемой потребителем (не >95°С), электродвигатели 11 выключаются, при охлаждении теплоносителя (воды) до минимальной заданной температуры (не <65°С) электродвигатели 11 включаются. При достижении верхнего или нижнего уровня в сборнике 4 сигнал от датчика уровня поступает оператору тепломагистрали. За отопительный сезон в среднем теплогенератор работает 25-30% времени.
По сравнению с прототипом предлагаемый вариант конструкции многофункционального вихревого теплогенератора обеспечивает более быстрый нагрев жидкости, прост в изготовлении, надежен в эксплуатации и может использоваться для измельчения, смешения, активации, деструкции жидких и сыпучих компонентов.
Рассмотрим работу многофункционального вихревого теплогенератора по его второму варианту (Фиг.2).
Теплогенератор работает аналогичным образом, как и теплогенератор по первому варианту (Фиг.1), но со следующим принципиальным отличием. Принципиальное отличие заключается в том, что пальцы 13 (Фиг.2) дисков 6 роторов 5, выполнены в виде эллипсоидных пальцев-лопаток, перфорированных сквозными конически-цилиндрическими отверстиями 15 и закреплены на дисках 6 так, что отверстия 15 пальцев-лопаток 13 направлены по ходу вращения дисков 6 и при вращении дисков 6 создают сверхмощные зоны сжатия и разряжения внутри потока жидкости, что резко сокращает время нагрева жидкости, а наличие устройства 16 для регулирования частоты вращения электродвигателей 11 с помощью частотного преобразователя позволяет создавать оптимальный режим нагрева жидкости.
Рассмотрим работу многофункционального вихревого теплогенератора по третьему варианту (Фиг.3).
Теплогенератор работает аналогичным образом как теплогенератор по первому варианту (Фиг.1), но со следующим отличием. Отличие заключается в том, что теплогенератор снабжен блоком управления 17 (Фиг.3), с помощью которого осуществляется плавный пуск электродвигателей 11. Перед пуском теплогенератора в работу на блоке управления 17 устанавливаются верхний (не >95°С) и нижний (не <65°С) пределы температур жидкости. При достижении температуры жидкости в сборнике 4 верхнего предела электродвигатели 11 отключаются, а при достижении нижнего предела плавно включаются. Покрытие внутренней поверхности корпуса 1 и рабочих элементов роторов 5, валов 8, турбин 7, дисков 6, пальцев 11 износоустойчивой керамикой (оксидом циркония) значительно увеличивает срок работоспособности теплогенератора.
По сравнению с прототипом предлагаемые варианты многофункционального вихревого теплогенератора обеспечивают более высокую скорость нагрева жидкости, упрощение конструкции (в прототипе присутствуют сложная система патрубков, редуктор в виде ременной передачи и малая ремонтопригодность) с одновременным повышением надежности в работе и расширении области применения в других отраслях промышленности.