ГИДРОКАВИТАЦИОННЫЙ МЕХАНИЧЕСКИЙ ТЕПЛОГЕНЕРАТОР
HYDROCAVITATION MECHANICAL HEAT GENERATOR

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к устройствам, где кинетическая энергия движущейся текучей среды преобразуется в тепловую энергию и может быть использовано для тепло- и горячего водоснабжения объектов промышленного и бытового назначения, для подогрева технологических жидкостей.
Известен термогенератор (патент RU N2177591, МПК 9/04, 9/02, 29/00, опубл. 27.12.2001 г., бюл. N33), принятый за прототип. Термогенератор содержит цилиндрический корпус с тангенциальным сопловым вводом, выходом на одном конце и тормозным устройством и вторым выходом на другом конце. Корпус помещен в цилиндрическую теплообменную обойму, на поверхности которой расположены герметизированное отверстие для тангенциального соплового ввода и выходной патрубок.
Недостатком прототипа является низкая теплопроизводительность из-за невысоких динамических параметров движущейся рабочей жидкости в теплогенераторе, который является пассивным и не содержит подвижных частей.
Предлагаемым изобретением решается задача: повышение эффективности устройства, сокращение энергозатрат.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в создании теплогенератора, осуществляющего высокоэффективный нагрев жидкости за счет использования активных (подвижных) элементов.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом гидрокавитационном механическом теплогенераторе, состоящем из корпуса с тангенциальным вводом, выходом и тормозным устройством, помещенным в цилиндрическую теплообменную обойму, на поверхности которой расположены отверстие для тангенциального ввода и выходной патрубок, новым является то, что корпус установлен внутри неподвижной цилиндрической теплообменной обоймы с возможностью вращения и имеет не менее двух тангенциальных вводов в непосредственной близости от одной из своих торцевых поверхностей, роль тормозного устройства выполняет противоположная торцевая стенка корпуса, выход корпуса выполнен в виде радиальных отверстий, расположенных на его цилиндрической поверхности вблизи противоположной торцевой поверхности, на цилиндрических наружной поверхности корпуса и внутренней поверхности теплообменной обоймы выполнены по всей длине равномерно расположенные пазы, отверстие тангенциального ввода в теплообменной обойме размещено соосно с тангенциальными отверстиями в корпусе и превышает их по диаметру, причем направление вращения корпуса встречно по отношению к направлению подачи рабочей жидкости через отверстие тангенциального ввода на теплообменной обойме, выходной патрубок выполнен симметрично относительно цилиндрической и торцевой поверхности теплообменной обоймы на линии сопряжения этих поверхностей.
Установка корпуса внутри неподвижной цилиндрической теплообменной обоймы с возможностью вращения с выполнением не менее двух тангенциальных вводов в непосредственной близости от одной из торцевых поверхностей позволяет решить несколько задач:
- за счет приведения во вращение корпуса, в котором происходят процессы завихрения, движения и торможения рабочей жидкости, сопровождающиеся выделением тепловой энергии, создается эффект "вращающейся вихревой трубы", способствующей интенсификации вышеуказанных процессов за счет одновременного использования эффекта теплообразования, который присущ теплогенераторам с пассивным формированием потока (вихревая труба), имеющим тангенциальный ввод рабочей жидкости и не имеющим подвижных частей, и теплогенераторам с активным формированием потока (роторные теплогенераторы), в которых механоактивация рабочей жидкости производится при помощи подвижных активирующих элементов;
- за счет действия центробежных сил в наиболее нагретом вращающемся слое рабочей жидкости вихревой трубы, которой является корпус, расположенном ближе к ее стенкам, происходит увеличение давления и, как следствие, возрастает сила трения о стенки, что приводит к ускорению нагрева жидкости;
- за счет неравномерного нагрева общего потока и неодинакового воздействия центробежных сил в его поперечном сечении эффективность нагрева возрастает при взаимодействии разноскоростных и разнотемпературных слоев в самой рабочей жидкости;
- за счет выполнения не менее двух тангенциальных вводов в непосредственной близости от одной из торцевых поверхностей поток рабочей жидкости закручивается в начале своего пути внутри корпуса и начинает, вращаясь, перемещаться под действием давления, приложенного извне, по всей длине внутренней полости корпуса, максимально используя внутреннее пространство для нагрева.
Торцевая стенка корпуса выполняет роль тормозного устройства, которое препятствует продольному перемещению потока рабочей жидкости, резко тормозит его с выделением тепловой энергии, частично нарушая вращательную составляющую.
Выполнение выхода корпуса в виде радиальных отверстий, расположенных на его цилиндрической поверхности вблизи противоположной торцевой поверхности, позволяет решить следующие задачи:
- погасить вращательную составляющую потока, движущегося внутри корпуса;
- осуществить выброс рабочей жидкости за пределы вращающегося корпуса при повышенном давлении от действия центробежных сил и затормозить ее вторично о внутреннюю поверхность теплообменной обоймы.
Причем отверстия расположены по цилиндрической поверхности корпуса равномерно, их количество зависит от мощности теплогенератора, в зависимости от которой выбирается диаметр корпуса.
Выполнение на цилиндрических наружной поверхности корпуса и внутренней поверхности теплообменной обоймы по всей длине равномерно расположенных пазов позволяет решить следующие задачи:
- организовать упорядоченные параллельные потоки рабочей жидкости, движущейся от отверстия тангенциального ввода теплообменной обоймы к выходному патрубку;
- организовать взаимодействие этих упорядоченных потоков с вращательно - поступательно движущимся между наружной поверхностью корпуса и внутренней поверхностью теплообменной обоймы потоком и получить дополнительное увеличение температуры;
- получить, кроме взаимодействия разнонаправленных потоков рабочей жидкости, разрывы сплошного потока и образование кавитационных каверн, при складывании которых выделяется тепловая энергия;
- наличие множества разнообразных по форме, скорости и направлению потоков рабочей жидкости внутри и снаружи корпуса, их гидравлическое взаимодействие между собой, взаимодействие с поверхностями корпуса и теплообменной обоймы, механическое воздействие вращающегося корпуса позволяет эффективно решить проблему нагрева рабочей жидкости при небольших габаритах теплогенератора.
Размещение отверстия тангенциального ввода в теплообменной обойме большего диаметра соосно с тангенциальными отверстиями в корпусе меньшего диаметра позволяет решить следующие задачи:
- осуществить ввод рабочей жидкости внутрь цилиндрического корпуса, установленного с возможностью вращения в теплообменной обойме, по касательной к его внутренней поверхности с наибольшей эффективностью;
- обеспечить полное заполнение рабочей жидкостью пространства между корпусом и теплообменной обоймой за счет большего диаметра в обойме, тем самым организовать полноценные потоки как внутри корпуса, так и снаружи него.
Встречное направление вращения корпуса относительно направления подачи рабочей жидкости через отверстие тангенциального ввода в теплообменной обойме позволяет решить следующие задачи:
- подавать жидкость внутрь корпуса с высокой скоростью, обеспечивающей эффективное закручивание рабочей жидкости, которое сохраняется на всем протяжении ее движения к выходу из корпуса;
- организовать потоки снаружи и внутри корпуса, движущиеся с различной скоростью и в противоположных направлениях по вращению, что увеличивает скорость нагрева, стабилизирует тепловыделение всей системы.
Выполнение выходного патрубка симметрично относительно цилиндрической и торцевой поверхностей теплообменной обоймы на линии сопряжения этих поверхностей позволяет осуществить отвод потоков рабочей жидкости, перемещающихся между торцевыми и цилиндрическими поверхностями теплообменной обоймы и корпуса с наименьшими потерями.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана общая схема устройства гидрокавитационного механического теплогенератора; на фиг.2 - схема расположения отверстия тангенциального ввода в теплообменной обойме, тангенциальных отверстий в корпусе и пазов на корпусе и теплообменной обойме.
Гидрокавитационный механический теплогенератор состоит из неподвижной цилиндрической теплообменной обоймы 1, внутри которой с возможностью вращения размещен корпус 2, жестко закрепленный на полувалах 3,4. Полувалы 3,4 установлены в подшипниках 5 и уплотнены сальниками 6. Для подачи циркулирующей рабочей жидкости внутрь теплообменной обоймы 1 на ее поверхности ближе к торцевой поверхности выполнено отверстие тангенциального ввода 7, соосно с которым на корпусе 2 выполнено не менее двух тангенциальных отверстий 8. Ближе к противоположной торцевой стороне корпуса 2 размещен его выход в виде радиальных отверстий 9 на цилиндрической поверхности. Роль тормозного устройства выполняет внутренняя торцевая поверхность 10 корпуса 2. На внутренней цилиндрической поверхности теплообменной обоймы 1 и наружной поверхности корпуса 2 выполнены равномерно расположенные пазы 11. Выходной патрубок 12 выполнен на линии сопряжения торцевой и цилиндрической поверхностей теплообменной обоймы 1 симметрично относительно них со стороны расположения отверстий 9.
Гидрокавитационный механический теплогенератор работает следующим образом. Рабочая жидкость - в большинстве случает вода, под давлением, которое создается насосом (на чертежах не показан), через отверстие тангенциального ввода 7, выполненного в теплообменной обойме 1, поступает внутрь теплогенератора. После полного заполнения теплогенератора и системы теплопотребления, к которой он подключен, включается привод (на чертежах не показан), связанный с полувалом 4. При вращении корпуса 2 часть рабочей жидкости через тангенциальные отверстия 8 по касательной к внутренней поверхности корпуса 2 поступает внутрь него, где приобретает вращательный вихревой характер движения.
Совершая вращательное движение в направлении, противоположном направлению вращения корпуса 2, рабочая жидкость перемещается к внутренней торцевой поверхности корпуса 2, где происходит торможение ее движения в продольном направлении. Процесс нагрева рабочей жидкости происходит интенсивно за счет того, что направление вращения рабочей жидкости противоположно направлению вращения корпуса 2, а действие центробежных сил сопровождает поток рабочей жидкости на всем протяжении внутренней полости корпуса 2. "Развихрение" потока рабочей жидкости происходит при истечении его под давлением из отверстий 9. Другая часть жидкости, не попавшая во внутреннюю полость корпуса 2, перемещается между внутренней поверхностью теплообменной обоймы 1 и наружной поверхностью корпуса 2 к выходному отверстию 12, где происходит объединение двух разноскоростных и перпендикулярно направленных друг относительно друга потоков. Дополнительное выделение тепловой энергии происходит при взаимодействии движущихся в продольном направлении по пазам в обойме 1 и корпусе 2 потоков с общим потоком, ограниченным их цилиндрическими поверхностями и имеющим вращательно-поступательный характер движения. В данном случае при нарушении целостности потока рабочей жидкости возникает процесс кавитации, сопровождающийся нагревом рабочей жидкости при схлапывании кавитационных пузырьков.
Таким образом, в гидрокавитационном механическом теплогенераторе, имеющем в своем составе пассивные и активные элементы, присущие различным типам теплогенераторов, осуществляется высокоэффективный нагрев рабочей жидкости.