ТЕПЛОВОЙ НАСОС (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относиться к конструкциям насосов-теплогенераторов, преобразующих механическую энергию в тепловую, которые используются для нагрева теплоносителя, преимущественно в автономных замкнутых системах теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, обогрева сооружений, установок и устройств.
В настоящее время в качестве теплогенераторов все шире применяются тепловые насосы. Известны устройства тепловых насосов, использующих изменения физико-механических параметров теплоносителей, в частности давления, объема и скорости для получения тепловой энергии.
Известны: нагреватель жидкого (вода) теплоносителя, содержащий камеру с жидкостью, снабженную патрубками подвода и отвода нагреваемой жидкости и установленный в камере ротор в виде закрепленных на валу перфорированных дисков, причем в камере дополнительно закреплены пары неподвижных перфорированных дисков, между которыми установлен соответствующий диск ротора с образованием зазора для прохода жидкости [Патент РФ №2094711 от 17.08.1995 МПК F 24 J 3/00, опубл. 27.10.1997]; насос-теплогенератор, содержащий полый корпус, консольно закрепленный внутри него на валу привода вращения ротор, всасывающий патрубок, расположенный соосно ротору и противоположно ему, и нагнетательный патрубок, статор в виде
концентрически расположенных по меньшей мере двух перфорированных колец, образующих между собой кольцевые зазоры, причем ротор выполнен в виде диска, снабженного по меньшей мере одним перфорированным кольцом, при этом перфорированное кольцо или перфорированные кольца ротора размещены в кольцевых зазорах между перфорированными кольцами статора также с зазором, а, нагнетательный патрубок выполнен радиально корпусу [Свид. РФ №25929 от 14.05.2002, МПК F 24 J 3/00, опубл. 27.10.2002].
Недостатком таких нагревательных насосов является нестабильная теплопроизводительность и завышенные гидравлические и прочие потери вследствие периодического резкого прерывания потока жидкости при ее прохождении через отверстия перфорированных дисков (колец).
Известен насос-теплогенератор, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, внутри которого с возможностью вращения от привода установлено роторное колесо, выполненное в виде диска, имеющего полость с лопатками и периферийную часть с каналами, причем в периферийной части роторного колеса выполнены аксиальные цилиндрические резонаторы, каналы периферийной части роторного колеса выполнены в виде входных в резонаторы, выходных из резонаторов участков, входные участки каналов расположены тангенциально резонаторам, а выходные - радиально [Свид. РФ №23098 от 09.11.2001, МПК F 24 J 3/00, F 25 В 30/00, опубл. 20.05.2002].
При этом, хотя выполнение роторного колеса в виде диска с лопатками, улучшает гидравлическую мощность такого насоса-теплогенератора, однако, включение в систему механического воздействия на жидкость (вода) набора резонаторов замысловатой конфигурации усложняет изготовление и требует определенную предварительную настройку системы (подбор размеров и конфигурации элементов).
Заявляемая полезная модель направлена на решение технической задачи: получение тепловой энергии из теплоносителя при реализации высокоскоростной динамической переориентации молекулярных структур теплоносителя и достижения условий перехода кинетической энергии этих структур в тепловую энергию, а также использования энергии сопутствующего фактора - кавитации.
Техническая задача решается посредством предлагаемой полезной модели теплового насоса, корпус которого выставлен на раме совместно с приводом (электродвигатель), с возможностью перемещения агрегата, оснащен снаружи входным всасывающим патрубком и выходным нагнетательным патрубком, снабженным нагрузочным клапаном -регулятором давления, внутри корпуса теплового насоса на валу привода с возможностью вращения размещено рабочее роторное колесо для подачи теплоносителя и в паре с ним соосно средство воздействия на теплоноситель для его нагрева - статор (вариант одноступенчатого теплового насоса), представляющий собой крыльчатку, выполненную в виде кольцевого диска, на периферийной части которого радиально установлены лопатки, имеющие угол наклона лопаток к плоскости диска от 90° до 80°, при этом кольцевой зазор между статором и рабочим роторным колесом имеет ширину не более 0,5 мм,
При варианте исполнения многоступенчатого теплового насоса (две- и более ступени), дополнительно на валу привода с возможностью вращения соосно размещены два- и более роторов попарно со статорами, выполненных в виде дисков, причем статоры выполнены в виде кольцевых дисков с центральным отверстием для прохода теплоносителя, на периферийной части статоров и роторов радиально и перпендикулярно плоскости дисков установлены лопатки, с образованием между смежными статорами и роторами и рабочего роторного колеса кольцевых зазоров, шириной не более 0,5 мм. Рабочее роторное колесо обеспечивает напор
потока теплоносителя, смежные роторы и статоры с лопатками воздействуя на теплоноситель обеспечивают тепловоспроизводимость. При этом роторы и статоры, образующие средства воздействия на теплоноситель для его нагрева, могут иметь как одностороннюю так и двустороннюю установку лопаток, угол наклона лопаток к плоскости дисков от 90° до 80°.
Исполнение статоров и роторов в виде чередующихся соосных дисков с установленными на них многочисленными лопатками, выполняет роль формирователя вихревых структур теплоносителя в пространство между роторами, где происходит образование вихревого потока. Благодаря тому, что лопатки, установленные на поверхностях дисков роторов и статоров обращены друг к другу, с образованием кольцевого зазора шириной не более 0,5 мм, между роторами и статорами, во встречных углублениях образуемых лопатками и поверхностями дисков создаются камеры схлапывания формирующие образование микровихрей, при схлапывании которых выделяется тепловая энергия, что обусловливает нагрев теплоносителя.
Конструктивное исполнение тепловых насосов, в частности наличие кольцевого зазора шириной до 0,5 мм, между роторами и статорами, установку лопаток по углом наклона к плоскости дисков от 90° до 80°, направлено на формирование явления кавитации, то есть на провоцирование нарушения сплошности внутри перемещаемой жидкости -теплоносителя, обеспечение всестороннего растяжения жидкости. При этом присутствующие в жидкости пузырьки газа, пара или их смеси, приобретают способность превращаться в большие «кавитационные пузыри», в результате местного уменьшения давления в быстро движущейся жидкости. Перемещаясь с потоком пузыри попадают в области с давлением выше критического, где сокращаются и исчезают. Процесс сокращения кавитационного пузыря на границе зоны происходит
с очень большой скоростью и сопровождается своего рода гидравлическим ударом и выделением тепловой энергии.
Размещение лопаток на дисках с углом наклона лопаток к плоскости дисков роторов и статоров от 90° до 80°, улучшает условия формирования кавитационных зон - камер схлапывания. Обычно лопатки в насосах расположены перпендикулярно, то есть под углом от 90°, для обеспечения максимальной подачи жидкости. Размещение лопаток на дисках с отклонением угла наклона лопаток от перпендикуляра на 10°, способствуя повышению эффективности тепловыделения, обеспечивает необходимую подачу жидкости, которая падает с увеличением углам наклона лопаток, то есть за пределами указанного интервала. Ширина кольцевого зазора не более 0,5 мм выбрана из того расчета, чтобы обеспечить свободное вращение ротора (роторного колеса), не допуская его соприкосновения со статором, при одновременном местном воздействии на жидкость для ее всестороннего растяжения.
Созданию и использованию энергии сопутствующего фактора -кавитации способствуют макрошероховатости на поверхности дисков статоров и роторов и установленных на них лопаток.
Техническое решение поясняется на примерах его выполнения. На чертежах изображено: фиг.1 - общая схема теплового насоса; фиг.2 -схема многоступенчатого теплового насоса; фиг.3 - схема сопряжения рабочего роторного колеса и статора; фиг.4 а) - общий вид рабочего роторного колеса либо ротора (разрез); фиг.4 б) - общий вид статора (разрез).
Тепловой насос устанавливается на раме 1, имеет привод (электродвигатель) 2, содержит корпус 3, входной всасывающий патрубок 4 и выходной нагнетательный патрубок 5, размещенные на валу 6 привода рабочее роторное колесо 7, роторы 8 и статоры 9, на которых установлены лопатки 10, нагрузочный клапан - регулятор 11.
Устройство работает следующим образом. Теплоноситель через входной всасывающий патрубок 4 поступает в цилиндрическую полость корпуса 3. Рабочее роторное колесо 7 и роторы 8 вращаются вместе с валом 6 электропривода 2 со скоростью (частотой вращения) до 3000 об/мин. При этом теплоноситель приходит во вращение в полости корпуса 3. В камерах схлапывания возникают микровихри, при схлапывании которых гидравлическая энергия микровихрей переходит в тепловую. При вращении рабочего роторного колеса 7 и роторов 8 теплоноситель в полости корпуса 3 под воздействием центробежных сил отжимается от вала 6 к периферии полости, образуя зону повышенного давления. Таким образом в зоне вала 6 создается зона пониженного давления. В эту зону всасывается теплоноситель из зоны повышенного давления, где происходит схлапывание микровихрей и, соответственно, по ступеням, смешение засасываемого нагретого теплоносителя с поступающим в тепловой насос теплоносителем. Через выходной нагнетательный патрубок горячий теплоноситель подается потребителю. Предварительный разогрев (стартовый разогрев) предпочтительно осуществлять в замкнутом режиме его циркуляции без отвода тепловой энергии потребителю, с последующей регулированием подачи, посредством нагрузочного клапана-регулятора 11.
Реальные испытания натурных образцов тепловых насосов, изготовленных в производственных условиях, как одно-, так и многоступенчатых (3 и 5 ступенчатые), с кольцевыми зазорами 0,3 и 0,5 мм, с углом наклона лопаток к плоскости диска 90° и 80°, подтвердили эффективность такого конструктивного исполнения тепловых насосов. При уменьшении угла наклона лопаток к плоскости диска менее 80°, и при увеличении кольцевого зазора более 0,5 мм, значительно снижались величина подачи и давление жидкости, и как следствие, снижалась, при прочих равных условиях, эффективность тепловыделения, в частности, температура на выходе из теплового насоса.
Пример. В равных условиях сопоставляли эффективность одного и того же теплового насоса, используя сменные диски с различными углами наклона лопаток и изменяя кольцевой зазор, поддерживая при этом примерно одинаковые расход электроэнергии и число оборотов электродвигателя, объемную подачу теплоносителя и его температуру (теплоносителя) на входе в тепловой насос (таблица):
Угол наклона лопатки а, градус.
70
80
90
Зазор кольцевой d, мм
0,3-0,5
1
Температура теплоносителя Т<sub>вых</sub>, °С
75
95-100
100
85
Давление на выходе Р<sub>вых</sub>, кгс/см<sup>2</sup>
1,2-1,2
1,1-1,0
1,0
1,0
При этом перпендикулярное размещение лопаток на диске (угол наклона равен 90°) и зазор кольцевой 0,5 мм обеспечивают наибольшую температуру на выходе из теплового насоса. Увеличение кольцевого зазора (до 1 мм) снижает температуру теплоносителя. Так же отмечается снижение эффективности тепловыделения при изменении угла наклона лопаток на диске до 70°, - температура теплоносителя на выходе из теплового насоса снизилась со 100 до 75°С. В пределах угла наклона лопаток от 90-80° эффективность тепловыделения сохраняется на одном уровне (температура теплоносителя на выходе из теплового насоса составила 100-95°С).
Тепловой насос прост по гидравлической схеме и несложен в изготовлении, с применением, например, отдельных стандартных комплектующих узлов непосредственно на базе одно- и многоступенчатых центробежных насосов. Изменяя габариты корпуса (типоразмер), соответствующий диаметр рабочего колеса, ротора и статора, количество ступеней - попарно чередующихся размещенных на валу роторов и статоров, кольцевой зазор между ними, а так же меняя количество и размеры лопаток, угол наклона лопаток к плоскости диска, от 90° до 80°, тепловой насос может быть выполнен как одноступенчатым так многоступенчатым, с различной тепловой и нагнетательной мощностями, а наличие на выходном патрубке нагрузочного клапана-регулятора давления позволяет регулировать напор нагнетания. При этом предпочтительно применять диски и установленные на них лопатки с необработанной поверхностью, имеющие макрошероховатость. Использование лопаток простой конфигурации позволяет в качестве теплоносителя применять не только традиционную воду, но и масла, нефть и битум, в том числе с механическими включениями, для целей создания установок по их разогреву, например в резервуарах