РАЗОГРЕВАТЕЛЬ РОТОРНЫЙ
ROTARY HEATER

Изобретение относится к конструкции винтоканавочных насосов, предназначенных для эффективного нагрева прокачиваемых с малым напором и при малых подачах вязких жидкостей, и может быть использовано для принудительного горячеструйного подогрева (разогрева) воды, вязких нефтепродуктов и других веществ в системах и емкостях при разгрузках и перевозках, подготовке топлива и смазки, для запуска двигателей и машин, переработке, перекачке, хранении, разливке и выгрузке в судостроении, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности (Голубев А.С. Лабиринто-винтовые насосы и уплотнения для агрессивных сред. М.: Машиностроение, 1981, с. 4, рис. 2).
Известны и применяются в промышленности винтоканавочные насосы, состоящие из корпуса, ротора с винтовыми канавками для перекачки вязких жидкостей, нефтепродуктов, а также подшипников, подводящих и отводящих жидкость патрубков, муфты и электродвигателя (см. авторское свидетельство СССР №1751417, F04D; «Винтоканавочный насос», опубл. 30.07.1992 г., Бюл. №28).
Недостатком известных конструкций является низкая эффективность разогрева жидкостей воды при перекачке.
Из области техники известно, что мощность роторного насоса зависит от вязкости перекачиваемой жидкости (см. «Насосы. Справочное пособие. Пер. с немецкого В.В. Малюшенко, М.К. Бобка, М.: Машиностроение. 1979, стр. 96).
Из области техники также известно, что вязкость жидкости существенно зависит от температуры (см. Краткий справочник машиностроителя. Под ред. С.А. Чернавского, М.: Машиностроение, 1966, стр. 383, фиг. 2).
Этого недостатка лишен винтоканавочный насос (прототип), включающий корпус, ротор с винтоканавочными нагнетающими канавками и обратными канавками, направление которых противоположно нагнетающим, выполненными на роторе, а также подшипники ротора, подводящие и отводящие жидкость патрубки, электродвигатель, который приводит во вращение ротор (см. патент РФ №2468306, МПК F24J 3/00 «Разогреватель турбулентный», опубл. 10.05.2012, бюл. №33).
Недостаток прототипа заключается в том, что при низкой температуре вязкость охлажденной жидкости воды, нефтепродуктов резко увеличивается, в результате многократно возрастает пусковой момент электродвигателя, что требует установки электродвигателя значительно большей мощности, чем необходимо для установившегося режима работы разогревателя, и, как следствие, приводит к увеличению экономических затрат.
Технической задачей изобретения является разработка конструкции, позволяющей производить разогрев жидкостей воды, нефтепродуктов при низкой температуре, в том числе минусовой, без многократного увеличения пускового момента электродвигателя и, как следствие, его поломки и выхода из строя, снижение экономических затрат.
Поставленная цель достигается за счет того, что разогреватель роторный, включающий корпус, рабочий ротор с винтовыми нагнетающими канавками и обратными канавками, направление которых противоположно нагнетающим канавкам, выполненными на роторе, а также подшипники ротора, подводящие и отводящие жидкость патрубки, электродвигатель, который приводит во вращение ротор, отличается тем, что снабжен вспомогательным ротором с винтоканавочными нагнетающими канавками и обратными канавками, направление которых противоположно нагнетающим канавкам, причем вспомогательный ротор закреплен на приводном валу рабочего ротора, а диаметр вспомогательного ротора составляет от 30% до 10% от диаметра рабочего ротора, а сам рабочий ротор снабжен биметаллическими вставками из алюминия и титана, причем толщина алюминиевой части биметаллической вставки составляет от 0,6 до 0,85 общей толщины биметаллической вставки.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором:
Фиг. 1 - схематическое изображение разогревателя роторного;
Фиг. 2 - поперечный разрез разогревателя роторного.
1
2
Разогреватель роторный (фиг. 1) состоит из корпуса 1, крышки 2, подшипников 3, рабочего ротора 4, биметаллических вставок 5 (фиг. 2), состоящих из металла 6 алюминия толщиной  из металла 7 титана толщиной  причем толщина металла 6 алюминия  составляет от 0,6 до 0,85 общей толщины  биметаллической вставки 5. Принятый интервал толщин биметаллической вставки 5, образованный из металла 6 алюминия толщиной  и металла 7 титана толщиной  выбран на основании опытных данных. При толщине металла 6 алюминия  менее 0,6 от общей толщины  биметаллической вставки 5 при тепловом расширении не обеспечивается закрытие зазора Δ (фиг. 2) и прижатие поверхности 8 биметаллической вставки 5 к поверхности 9 приводного вала 10 и передачи за счет этого крутящего момента ротору 4. При превышении толщины металла 6 алюминия  более 0,85 от общей толщины  биметаллической вставки 5 при тепловом расширении металла 6 алюминия возможно повреждение контактной поверхности 9 приводного вала 10. Рабочий ротор 4 (фиг. 1) имеет винтовые нагнетающие канавки 11 и обратные канавки 12, направление которых противоположно нагнетающим канавкам 11. Вспомогательный ротор 13 закреплен шпонкой 14 на приводном валу 10, причем диаметр D вспомогательного ротора 13 составляет от 10% до 30% от диаметра D рабочего ротора 4. Принятый интервал соотношения диаметров рабочего ротора 4 и вспомогательного ротора 13 получен на основании проведенных исследований. При диаметре вспомогательного ротора 13 более 30% от диаметра рабочего ротора 4, когда при низкой температуре вязкость жидкости 15 воды, нефтепродуктов очень велика и, как следствие, значительно возрастает крутящий момент, резко растет пусковой ток, нагревается обмотка электродвигателя, разрушается изоляция и электродвигатель выходит из строя, что ведет к большим экономическим потерям. При диаметре вспомогательного ротора 13 менее 10% от диаметра рабочего ротора 4 интенсивность разогрева жидкости 15 воды, нефтепродуктов снижается и, как следствие, растет время выхода на стационарный режим, что ухудшает его экономические показатели и эффективность работы разогревателя роторного существенно ухудшается.
При диаметре вспомогательного ротора 13 более 30% от диаметра рабочего ротора 4 возрастают габариты разогревателя роторного, увеличивается материалоемкость и, соответственно, экономические затраты. Вспомогательный ротор 13 имеет винтовые нагнетающие канавки 16 и обратные 17 канавки, противоположные нагнетающим 16. Приведение во вращение приводного вала 10 осуществляется от электродвигателя 18 через муфту 19. Корпус 1 имеет патрубок 20 для подвода холодной жидкости 15 воды, нефтепродуктов, патрубок 21 для отвода нагретой жидкости 22 воды, нефтепродуктов. Корпус 1 имеет (Фиг. 2) внутреннюю поверхность 23, а рабочий ротор 4 имеет наружную поверхность 24. Имеются (Фиг. 1) провода 25 для подачи напряжения «U» и на электродвигатель 18. Рабочий ротор 4 размещен в полости 25 корпуса 1, а вспомогательный ротор 13 размещен в полости 26. Вспомогательный ротор 13 фиксируется гайкой 27, а рабочий ротор 4 втулкой 28.
Разогреватель роторный работает следующим образом.
При низкой температуре жидкости 15 воды, нефтепродукта биметаллическая вставка 5 (фиг. 2), состоящая из металла 6 с высоким коэффициентом теплового расширения алюминия и металла 7 титана с минимальным тепловым расширением, имеет длину  обеспечивающую (фиг. 2) зазор Δ между поверхностью 8 биметаллической вставки 5 и поверхностью 9 приводного вала 10.
При включении электродвигателя 18, после подачи напряжения «U» по проводам 25, электродвигатель 18, через муфту 19, приводит во вращение приводной вал 10. При этом вспомогательный ротор 13, закрепленный шпонкой 14 на приводном валу 10, начинает вращаться в холодной жидкости 15 воде, нефтепродуктах без создания перегрузки на электродвигателе 18. Поскольку диаметр вспомогательного ротора 13 составляет от 30% до 10% рабочего ротора 4, то величина крутящего момента значительно меньше, чем необходимо для вращения рабочего ротора 4. При этом рабочий ротор 4 остается неподвижным. Электродвигатель 18 через муфту 19 вращает приводной вал 10 и вращает вспомогательный ротор 13, нагнетающие канавки 16 захватывают и придают кинетическую энергию потоку холодной жидкости 15 воды, нефтепродукта, а обратные канавки 17 и противоположные нагнетающие 16 создают встречный поток жидкости 15 воды, нефтепродуктов. Взаимодействуя, эти два потока создают высокую турбулентность и, как следствие, интенсивный разогрев холодной жидкости от температуры +1°C 15 воды, нефтепродукта за счет внутреннего трения, до температуры +70°C (начальная и конечная температура жидкости воды, нефтепродукта может быть иной и определяется технологическими соображениями). В результате жидкость 15 вода, нефтепродукт разогревается, затем горячая жидкость 22 вода, нефтепродукт нагнетающими канавками 16 из полости 26, в которой расположен вспомогательный ротор 13, выносится в полость 25, в которой размещен рабочий ротор 4. В горячей жидкости 15 воде, нефтепродукте (фиг. 2) биметаллические вставки 5 рабочего ротора 4 разогреваются, их длина увеличивается. Так, при длине алюминия 6, равной биметаллической вставки 5 (размеры биметаллических вставок могут быть иными и определяются конструкторскими разработками), и нагреве от +1°C до +70°C (коэффициент линейного расширения алюминия равен 0,02293, см. табл. 1, стр. 73, «Краткий справочник машиностроителя» под ред. С.А. Чернавского, М.: Машиностроение, 1966), увеличивается на 0,22 мм, при этом закрывается зазор Δ=0,2 мм между поверхностью 9 приводного вала 10 и поверхностью 8 биметаллической вставки 5. Поверхность 8 биметаллической вставки 5 входит в контакт с поверхностью 9 приводного вала 10, создает высокое трение на поверхности 8, обеспечивая надежное сцепление рабочего ротора 4 на приводном валу 10, после чего рабочий ротор 4 приходит во вращение, нагнетающие канавки 11 создают рабочий поток жидкости 15 воды, нефтепродукта, а обратные канавки 12, направление которых противоположно нагнетающим канавкам 11, создают встречный поток, в результате возникает турбулентность и, как следствие, разогревает жидкость 15 воду, нефтепродукты, превращая ее в горячую жидкость 22 воду, нефтепродукты, которая выходит из корпуса 1 через патрубок 21, то есть разогреватель роторный приводится в рабочее состояние и осуществляет разогрев жидкости 15 воды, нефтепродуктов.
-6
-6
1
При температуре +1°C вязкость воды составляет μ=1780⋅10 Па⋅с, а при температуре +90°C вязкость снижается до μ=315⋅10 Па⋅с (см. «Теплотехнический справочник, т. 2, М.: «Энергия», 1976, стр. 159, табл. 2-17). Поэтому при низкой температуре +1°C, из-за большой вязкости, требуется большой крутящий момент, но небольшой диаметр D вспомогательного ротора 13 позволяет значительно уменьшить величину крутящего момента и использовать двигатель меньшей мощности.
После разогрева воды, нефтепродукта вспомогательным ротором 13 до +90°C вязкость воды резко падает, биметаллические элементы 5 включают рабочий ротор 4, который разогревает воду, и для этого вполне достаточно небольшой мощности электродвигателя 18, что позволяет получить существенный экономический эффект.
Предложенная конструкция нагревателя роторного может широко применяться в теплотехнике для разогрева воды, нефтепродуктов, в отопительной системе зданий и других отраслях.