КАВИТАЦИОННЫЙ СТРУКТУРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
CAVITATION STRUCTURAL CONVERTER

Изобретение относится к области теплотехники, а именно средствам преобразования кинетической энергии потока теплоносителя в тепловую энергию, и может быть использовано в качестве альтернативы нагревателям, работающим либо на электроэнергии (применение ТЭН), либо за счет сжигания природного газа или пропан-бутановой смеси, угля, газойля, мазута и т.п.
Известно (ЕР патент 0075811) устройство преобразования электрической энергии в тепловую энергию путем индукционного нагрева жидкости в трубопроводе, включающее одну или несколько индукционных обмоток, охватывающих одну или несколько труб с жидкой средой. Поток ее проходит через систему каналов в форме лабиринта из внутренних каналов с кольцами или спиралями, которые образуют электрические короткозамкнутые контуры и при подводе питания к индукционным обмоткам нагреваются и нагревают соприкасающуюся среду.
Недостатком известного устройства следует признать недостаточно высокий кпд, обусловленный большими потерями в связи с повышенным электрическим сопротивлением громоздкой конструкции лабиринтов. Кольца и спирали внутри лабиринтов мешают перемещению в верхнюю часть нагревателя теплых потоков жидкости. Устройство сложно в изготовлении, металлоемко, так как содержит много деталей внутри лабиринтов, и при его изготовлении используют большое количество медной проволоки в обмотках из-за применения низкочастотного тока питания (50 Гц).
Известно также (FR заявка 2568083) аналогичное устройство для индукционного нагрева жидкости в трубопроводе, содержащее, по меньшей мере, один индукционный нагреватель, включающий, по меньшей мере, одну индукционную обмотку с электротеплоизоляционной прокладкой, охватывающую цилиндрическую магнитопроводную емкость, соединенную с трубопроводом для подачи и отвода жидкости через соответственно входной и выходной патрубки и последовательно соединенный с регулятором переменного тока в виде двух выключателей тока термодатчиком, механически закрепленным на выходной магистрали трубопровода. Источник питания - переменный ток с частотой 50 Гц.
Недостатком известного устройства является недостаточно высокий коэффициент мощности, поскольку при его эксплуатации происходит рассеяние тепла в пространстве от наружной индукционной обмотки, и неполное поглощение электромагнитной энергии оболочкой индукционного нагревателя. Снижение коэффициента мощности приводит к снижению кпд устройства; кпд снижают и омические потери на индукционной обмотке с большим количеством витков медного провода, что связано с использованием тока питания частотой 50 Гц. По этой же причине известный нагреватель выполнен толстостенным. Большой расход меди и стали делает производство известного устройства неэкономичным.
Известен (RU патент 2255267) нагреватель текучей среды, содержащий вихревую трубу, торцы которой снабжены гидродинамическими преобразователями движения текучей среды, у торца вихревой трубы относительно него установлен формирователь потока, корпус гидродинамических преобразователей движения текучей среды выполнен в виде раструбов на концах вихревой трубы, формирователь потока, ось симметрии которого соосна продольной оси вихревой трубы, и рассекатель потока, выполненный в виде пластины, поверхность которой параллельна продольной оси вихревой трубы. Известный нагреватель предназначен для установки в трубопроводных транспортных системах.
Недостатком известного нагревателя следует признать тот факт, что входящий поток закручивают за счет тангенциальной подачи воды, что приводит к существенным потерям энергии в процессе преобразования. Кроме того, гидродинамические преобразователи выполнены очень сложными, что приводит также к потере тепловой энергии на непродуктивных участках теплогенератора. Также не использована энергия, выделяющаяся при кавитационных процессах.
Известно (RU патент 51403) устройство для преобразования кинетической энергии водного раствора, выполненное в виде трубы с вихревыми камерами по торцам и гидромеханическими кавитаторами, соединенной трубопроводами с накопительной емкостью и теплообменником, отличающееся тем, что оно снабжено электрогидродинамическим кавитатором, соединенным с генератором импульсных токов и расположенным между гидромеханическими кавитаторами.
Недостатком известного устройства можно признать относительно низкий коэффициент полезного действия, а также сложность конструкции.
Техническая задача, решаемая посредством разработанного устройства, состоит в создании приспособления, позволяющего превращать кинетическую энергию движения теплоносителя в его тепловую энергию.
Технический результат, получаемый в результате реализации разработанного технического решения, состоит в уменьшении себестоимости единицы тепловой энергии, получаемой потребителем за счет уменьшения количества сжигаемого топлива.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать кавитационный преобразователь, содержащий выполненный в виде металлической трубы с закрепленными в ней посредством вставок кольцами корпус, установленный в систему трубопроводов с нагретой жидкостью, которая находится в постоянном движении от работающих сетевых насосов, причем кольца выполнены из коррозионно-стойкого материала разного диаметра, и закреплены в корпусе с образованием канала, диаметр которого изменяется волнообразно. При этом число колец в корпусе должно быть в количестве не менее 100 штук, толщина кольца составляет от 2,0 до 4,0 мм, на концах канала кольца образуют воронкообразное расширение, ориентированное меньшей стороной в сторону канала, длина преобразователя составляет не менее 0,6 м, диаметр канала составляет от 15 до 100 мм, кольца выполнены из титана, нержавеющей стали, вставки выполнены из бронзы, латуни, алюминия, а разность диаметров отверстий в соседних кольцах составляет от 5 мм до 10 мм.
Технический результат при использовании количества колец менее 100 штук не достижим, потому что процессы фазового перехода, формирующиеся в расчетном объеме нагретой воды, проходящий преобразователь, высокие и стабильные результаты показывают только при использовании свыше 100 колец (преимущественно, до 200 колец). При использовании в системе наборов преобразователя (2-3 штуки) выход системы на режим идет в 2 раза быстрее, но при дальнейшей эксплуатации системы происходит затухание процессов. Разница в показателях отличается в 30% снижении при сравнении с работой одного кавитационного структурного преобразователя.
При использовании толщины кольца менее 2,0 мм полностью не используется энергия, выделяемая при кавитацинных процессах.
При использовании кольца толщиной более 4,0 мм происходит нецелесообразная затрата дорогостоящего материала при практически одинаковых результатах.
Желательно, чтобы длина канала составляла не менее 0,6-0,7 м потому, что при этих размерах наблюдается наиболее оптимальный режим работы преобразователя.
Желательно, чтобы величина диаметра канала составляла 15÷100 мм потому, что при указанных величинах достигается максимальный эффект преобразования кинетической энергии в тепловую энергию.
Предпочтительно, чтобы разность диаметров (величина порога в канале) составляла от 5 до 10 мм потому, что данные параметры наиболее оптимальны при фазовых переходах.
Кавитационный структурный преобразователь относится к нагревательным устройствам и предпочтительно может быть использован там, где происходит нагрев воды с использованием парового или водяного котла. В дальнейшем пар или нагретая вода поступают в закрытый контур через систему трубопроводов и посредством сетевого насоса доходят до потребителя. Кавитационный структурный преобразователь представляет собой устройство, устанавливаемое в систему трубопроводов с нагретой жидкостью, которая находится в системе в постоянном движении от работающих сетевых насосов. Нагретая жидкость с постоянным давлением и температурой (не менее +30°С) поступает в кавитационные структурные преобразователи, установленные с использованием байпасных линий на штатных линиях подмеса и рециркуляции, и проходит через преобразователь, представляющий собой корпус в виде металлической трубы длиной не менее 0,6 м, внутренний диаметр которой согласно изобретению регулируется посредством оправок и металлических колец толщиной каждое от 2.0 до 4,0 мм. Кольца устанавливают волнообразно. Количество колец, устанавливаемых в одном изделии, должно быть не менее 100 шт. Кольца устанавливают в оправку из металлов или металлических сплавов (алюминий, медь) и затем вставляют в металлический корпус-трубу. Внутренний диаметр колец рассчитывают для каждой системы отдельно. В результате прохождения через преобразователь нагретой жидкости в системе отопления возникают процессы преобразования энергии фазовых структурных переходов и энергомассообмена в теплоносителе (воде) в тепловую энергию. В результате чего в системе происходит дополнительное выделение тепла от 10% до 20% мощности котла на стандартных режимах теплоснабжения. Данные показатели регистрируют с использованием коммерческих приборов учета тепла и расхода газа, установленных в системе. Кроме того, при прохождении нагретой жидкости по подающим трубопроводам (прошедшей через преобразователь) до потребителя, имеющиеся ранее тепловые потери (из-за значительного расстоянии) значительно уменьшаются (от 50% до 85%), что также регистрируют с использованием измерительных приборов, установленных в тепловых пунктах перед потребителем.
Изобретение иллюстрировано следующими примерами реализации.
3
3
Разработанные преобразователи в количестве 6 штук выполнены из титановых колец, причем в каждом преобразователе количество колец составляет 180 штук, минимальный диаметр отверстия кольца 45 мм, максимальный диаметр - 51 мм, указанные кольца вложены в оправки из алюминия длиной свыше 200 мм каждая и вставлены в 6 металлических труб длиной 700 мм с монтажными фланцами диаметром 100 мм. Полученные преобразователи были установлены в котельной на 15 Гкал (5 котлов по 3 Гкал) Братислава SK. 5 преобразователей были установлены в линии рециркуляции, имеющиеся на каждом котле, на 3-метровом участке трубопровода от насоса до входа в котел. Шестой преобразователь был установлен на байпасной линии между обратным трубопроводом после сетевых насосов и трубопроводом подачи. Расстояние до котлов 6 м. Температура воды на выходе из котла варьируется исходя из температурного графика и составляет диапазон от 120 до 90°С. Температура обратной воды от 40 до 60°С. При использовании преобразователя температура теплоносителя после выхода из преобразователя, повышается от 1 до 1,5°С. Потери температуры теплоносителя на трассе от котельной до отдаленного теплового пункта (3 км), ранее составляющие 2-3°С, сведены к нулю. Повышается температура теплоносителя на обратном трубопроводе от 2 до 4°С по сравнению с графиком температур аналогичных периодов прошлых лет. Реальный расход топлива (природного газа) на выработку одной Гкал уменьшается от 15 м до 22 м.
В г.Буркас (Болгария) аналогичные преобразователи установлены на байпасных линиях 6 когерационных (газопоршневых) установках мощностью по 3 МВ каждая и один преобразователь на байпасной линии у пиковых котлов между трубопроводами прямой и обратной магистралями. Расстояние от преобразователя до газопоршневой установки 4 м. Расстояние от пиковых котлов до преобразователя 15 м. Экономия по топливу (природный газ) составляет в настоящее время 18% на 1 Гкал выработанного тепла.
Таким образом, при соблюдении параметров конструкции кавитационного системного преобразователя указанный технический результат достижим в любом случае.