ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ КАВИТАТОР

Полезная модель относится к теплоэнергетике и предназначено для получения тепловой энергии экологически чистым способом с помощью гидравлического кавитатора.
В настоящее время широко известно множество устройств получения энергии, например, устройство получения тепловой энергии излучения солнца, кинетической энергии ветра, воды, тепловой энергии, выделяющейся при горении органического топлива (угля, нефти, газа…), тепловой энергии, выделяющейся при делении тяжелых ядер химических элементов энергии, выделяющейся при слиянии вещества и антивещества.
Недостатками известных устройств является:
- интенсивность излучения энергии солнца в оптическом диапазоне составляет всего несколько вольт на квадратный метр поверхности;
- энергия ветра характеризуется низкой интенсивностью;
- концентрация энергии движения воды на два-три порядка превышает концентрацию энергии ветра, но отрицательным фактором в данном случае является необходимость создания водохранилищ и затопление больших площадей земной поверхности, большие капитальные затраты на строительство объектов гидроэнергетики, ограниченность ее ресурсов;
- энергия, выделяющаяся при горении органического топлива является в настоящее время основным видом энергии, используемой в промышленном масштабе, но, отрицательными факторами являются загрязнение окружающей среды при добыче и транспортировке топлива, продуктами сгорания топлива и теплом;
В известном устройстве получения энергии на тепловых электрических станциях при сжигании органического топлива в топке парового котла, где химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию водяного пара требуется большой расход энергии на добычу органического топлива, на его транспортировку и сжигание, что приводит к загрязнению окружающей среды и нарушению экологического равновесия.
В атомных электрических станциях затраты на добычу и подготовку ядерного топлива очень высоки. Кроме того, потенциально, развитие атомной энергетики несет в себе серьезные проблемы, связанные с охраной окружающей среды.
Кавитация - образование в жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить при увеличении скорости ее движения (гидродинамическая кавитация).
Физический процесс кавитации близок процессу закипания жидкости. Основное различие между ними заключено в том, что при повышении относительной скорости потока относительно тела, понижается давление потока до давления насыщенных паров (вакуума). При этом жидкость вскипает, и образуются кавитационные парогазовые пузырьки микроскопических размеров.
Кавитационные пузырьки, попадая в область повышенного давления, схлопываются кумулятивными струйками в точки.
В этих точках, а их огромное количество, кумулятивные эффекты приводят к точечному повышению давлений до десятков тысяч атмосфер, с образованием точечных температур в десятки тысяч градусов.
Известен кавитатор для получения тепловой энергии в жидкостях (патент РФ №2061195, F24J 3/00. 1995 г.). В известном кавитаторе в качестве источника кавитации используют многоканальную центробежную форсунку.
Недостатком такого кавитатора является малая интенсивность тепловыделения, создаваемого в жидкости, относительно Энергии, затраченной на создание в ней кавитации. Это объясняется недостаточной эффективностью процесса образования кавитационных полостей и их захлопывания.
Известны различные теплогенераторы, использующие преобразование энергии движущихся рабочих тел в тепло, в частности, известны гидрапвлические теплогенераторы, в которых тепло вырабатывается при торможении закрученного потока жидкости.
Известна система теплоснабжения потребителей (пат. РФ №2059162, МПК 6 F24D 3/02), которая содержит теплогенератор в виде вихревой трубы с тангенциальным подводом жидкости, нагревающейся в цилиндрическом корпусе вихревой трубы, снабженной тормозным устройством и патрубком отвода нагретой жидкости.
Использование этого гидравлического теплогенератора решает задачу надежного, хорошо регулируемого, экологичного и относительно компактного средства получения тепла и горячей воды. При этом гидравлический теплогенератор может быть установлен как в помещении, так и вне его, включая любые труднодоступные места.
Однако эти гидравлические теплогенераторы не обеспечивают быстрый нагрев теплоносителя (жидкости) до приемлемых температур (свыше 70°C) и недостаточно компактны.
Известен теплогенератор и устройство для нагрева жидкости (патент РФ №2045715, МПК 6 25 29/00). Данное устройство реализует вышеописанный процесс преобразования энергии вращающегося потока жидкости (теплоносителя) в тепло более эффективно, чем другие известные теплогенераторы и содержит входное закручивающее жидкость устройство, соединенное с одним из торцов корпуса вихревой трубы, внутри которой у противоположного торца установлены тормозное устройство и патрубок отвода нагретой жидкости, полость которого перепускным каналом соединена с торцем входного закручивающего устройства.
В описанном теплогенераторе интенсификация нагрева жидкости достигается за счет введения перепуска и циркуляции части жидкости, что позволяет ей при неизменном общем расходе многократно поступать в зону выделения и подвода тепла.
Однако, гидравлическому теплогенератору, присуще хотя и в меньшей степени, те же недостатки, которые были отмечены выше: большие габариты, конструктивная сложность, недостаточная эффективность.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является теплогенератор гидравлический (патент. РФ №2134381, МПК F24D 3/02, F24 3/00). Гидравлический теплогенератор содержит закручивающее входное устройство, соединенный с корпусом вихревой трубы, патрубок отвода нагретой жидкости с тормозом, корпус вихревой трубы и патрубок отвода нагретой жидкости установлены по разные стороны входного закручивающего устройства, корпус выполнен в виде осесимметрично расширяющегося от входа ко дну сосуда, внутренняя поверхность которого снабжена по меньшей мере двумя продольными канавками цилиндрической формы, равномерно распределенными по окружности поперечного сечения корпуса.
Такое конструктивное решение установки позволило интенсифицировать процесс нагрева рабочей жидкости при несколько уменьшенных габаритах.
Однако поворот жидкости около дна корпуса вихревой трубы не организован - она просто упирается в дно, что вызывает большие гидродинамические потери. Так же не оптимальным является организация движения потока омывающего внутреннюю поверхность корпуса и встречного потока в средней приосевой зоне полости корпуса вихревой трубы.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание гидравлического кавитатора, который бы имел минимальные габариты, массу и более высокую эффективность за счет улучшения конструкции и аэродинамики сопловых и тормозных элементов установки, а также за счет интенсификации процессов преобразования энергии и, так же, за счет повышения эффективности тепломассообменных процессов.
В результате использования предлагаемой полезной модели при одинаковой теплопроизводительности темп подогрева воды (при работе по замкнутой схеме: насос - теплогенератор - насос) в предложенном теплогенераторе на 2% выше, чем у прототипа, а габариты и масса меньше соответственно на 3% и 15%, за счет овальной формы дна корпуса установки и визревых лунок и вытянутого по длине сопла выхода нагретой жидкости. Предлагаемый гидравлический кавитатор позволяет интенсифицировать процесс нагрева жидкости в гидравлическом теплогенераторе. Кроме того, предложенный гидравлический теплогенератор имеет более простую компоновку и внешние обводы, удобные для его включения в различные как создаваемые, так и действующие системы теплоснабжения.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом гидравлическом кавитаторе, включающем входное закручивающее устройство, соединенное с корпусом вихревой трубы, патрубок отвода нагретой жидкости, внутренняя поверхность корпуса вихревой трубы по всей его длине сформирована вихревыми лунками, а дно корпуса вихревой трубы имеет форму, позволяющую развернуть движение закрученного потока жидкости на 180°, и на входе патрубка отвода нагретой жидкости установлено сопло, вытянутое по его длине на 10-15 мм.
В гидравлическом теплогенераторе, содержащем закручивающее входное устройство, соединенное с корпусом вихревой трубы, патрубок отвода нагретой жидкости с тормозным устройством, корпус вихревой трубы и патрубок отвода нагретой жидкости с тормозным устройством или без него, установлены по разные стороны входного закручивающего устройства, причем дно конструкции имеет форму, предназначенную для плавного поворота закрученного потока на 180°C с минимальными гидродинамическими потерями, потоки жидкости, поступающей от системы закрутки и двигающейся ко дну установки, отделены от встречных потоков, двигающихся от дна установки к патрубку отвода нагретой жидкости с помощью специального вытянутого сопла, установленного на входе патрубка отвода нагретой жидкости, а внутренняя полость вихревой трубы сформована сетью вихревых лунок по всей ее длине, что вызывает дополнительную турбулизацию потока жидкости и интенсификацю теплообменных процессов.
В результате взаимодействия комплекса факторов во вращающемся потоке жидкости существенно увеличиваются градиенты изменения скоростей как в поперечном так и в продольном по отношению к корпусу вихревой трубы направлениях с возникновением обратных токов жидкости в приосевой зоне с последующим выходом нагретой жидкости через плоскость входного завихряющего устройства в патрубок отвода нагретой жидкости.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняеися чертежом, на котором представлена общая конструктивная схема гидравлического кавитатора.
Гидравлический кавитатор содержит соосно соединенные между собой закручивающее входное устройство 1 с одной стороны, соединенное с корпусом 2 вихревой трубы, а с другой стороны - с патрубком отвода нагретой жидкости 3, с вытянутым по длине на 10-15 мм соплом 8, внутри которого установлен гаситель угловой скорости или тормозного устройства 4, причем боковые стенки 5, сформированные лунками 7, корпуса 2 вихревой трубы и дно 6 образуют осесимметрично расширяющуюся от входа ко дну 6, имеющего форму, позволяющую развернуть движение закрученного потока жидкости на 180°.
Работает гидравлический кавитатор следующим образом.
При подаче жидкости через входное закручивающее устройство 1 ее движение приобретает вихревой характер и к моменту поступления в корпус 2 вихревой трубы скорость жидкости возрастает. Далее жидкость, омывая внутреннюю поверхность корпуса 2, сформованную лунками 7, движется по спирали в направлении дна 6, имеющего овальную форму.
Такое взаимодействие вращающихся потоков жидкости существенно интенсифицирует превращение энергии движения этих потоков жидкости в тепло. Приближаясь ко дну 6, жидкость нагревается, скорость ее вращения уменьшается, и жидкость плавно, с помощью овального дна 6 вытесняется в среднюю приосевую зону полости корпуса 2, в которой происходит ее движение в обратном направлении, то есть к входному закручивающему устройству 1 и далее через приосевую его зону и специальное вытянутое сопло 8 - в патрубок отвода нагретой жидкости 3.
Предложенный гидравлический кавитатор может быть изготовлен из распространенных материалов, стойких к жидкости, выбранной в качестве рабочего тела, и достигаемым температурам. В качестве жидкости наиболее вероятно использование воды.
Основными достоинствами предложенного теплогенератора являются - большая эффективность при меньших габаритах и массе.
Использование предлагаемого устройства экономически выгодно потому, что, во-первых, в данном случае капитальные затраты сведены практически к нулю. Нет необходимости строить котельные, склады топлива, подъездные пути, транспортные трубопроводы и многое другое. Во-вторых, окружающая среда не загрязняется потерями топлива при добыче, транспортировке и продуктами его сгорания.