Кавитационный теплогенератор
VORTEX HEAT GENERATOR

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для нагрева жидкостей в гидросистемах различного назначения и/или для запуска и/или усиления физико-химических превращений в жидкой среде.
Явление кавитации, возникающее в жидкой среде, заключается в образовании, росте и схлопывании газообразных и паровых пузырьков из-за снижения окружающего давления ниже давления парообразования при рабочей температуре. Для этого используются следующие методы: генерация звуковых волн или волн давления в жидкости с использованием пьезоэлектрического преобразователя, гидрозвуковая кавитация и снижение окружающего давления за счет ускорения потока жидкости через трубку Вентури или диафрагму.
Гидрозвуковой метод производит кавитацию, генерируя волны звука или давления в жидкой среде, так что пузырьки пара образуются и растут во время фаз низкого давления этих волн и схлопываются в цикле высокого давления; эти волны могут передаваться механическими средствами или, главным образом, электрическими импульсами от электронной схемы, энергия которой передается статической жидкости, содержащейся в резервуарах, через электромагнитные или пьезоэлектрические преобразователи, которые могут обеспечивать передачу энергии, составляющую около 85% используемой звуковой энергии. Эффективность увеличивается, когда он работает в резонансном режиме в резервуаре небольшого объема и на ультразвуковых частотах, так что волны отражаются от стенок резервуара и могут достигать всего объема жидкости. Каждый взрывающийся микропузырьк излучает новую ударную волну, образуя цепочку кавитации в статической жидкости, образуя сферические микропузырьки, которые увеличивают силу взрыва. Эти конфигурации широко используются для очистки объектов, в химической и пищевой промышленности, а также в фармацевтической и лабораторной практике. Эффективность метода уменьшается при больших объемам жидкости или в движущихся жидкостях.
Гидродинамическая кавитация - это физическое явление, возникающее в потоке жидкости, возникающем в результате быстрого ускорения жидкости в трубе Вентури, острых краях или узких отверстиях, так что, согласно принципу Бернулли, происходит резкое падение давления, которое уменьшает температуру парообразования, давление жидкой среды, так что создаются микропузырьки пара, и вскоре после этого они схлопываются, когда скорость уменьшается, а давление на выходе трубки Вентури возрастает. Эффективность гидродинамической кавитации ниже, чем гидрозвуковой, поскольку быстро движущаяся жидкость случайным образом рассеивает отражение волн давления, испускаемых взрывами микропузырьков. Но преимущества гидрозвуковой кавитации исчезают при использовании в динамических потоках, где гидродинамическая кавитация дает наиболее практичные и эффективные результаты. Этот метод используется для обработки относительно больших объемов жидкости, например, при обработке и нагревании воды, в некоторых специфических процессах в пищевой и химической промышленности, благодаря своей эффективности и действенности по сравнению с другими методами, применяемыми для тех же целей.
Существуют конструкции гидрозвуковых и гидродинамических кавитационных аппаратов различного назначения.
Из уровня техники известно устройство гидрозвуковой кавитации с использованием пьезоэлектрических преобразователей, недостатком которой является ограниченный объём статической жидкости [патент RU 2335705 С2. МПК F24J 3/00, F22B 27/00. Заявка №2005136836/06 от 25.11.2005. Опубл.: 10.10.2008 в Бюл. № 28]. Также известен гидрозвуковой аппарат средней эффективности, который может обрабатывать большие объемы жидкости при работе от электродвигателя [Патент US5188090 A от 23.02.1993. МПК B01F7/00; F24J3/00. Заявка US19910682003 от 08.04.1991] в виде цилиндрического ротора с несколькими периферийными отверстиями, который вращается в концентрическом корпусе, поддерживаемом подшипниками и уплотнениями. Недостатками конструкции являются сложность конструкции и высокая стоимость, а также необходимость использования насоса, чтобы заставить жидкость проходить через указанный корпус. Вибрация, создаваемая ударными волнами, так как неравномерная эрозия ротора, вызванная кавитацией, приводит к преждевременным повреждениям и повреждению ротора, подшипников и уплотнений.
В устройствах [патент US5957122 A от 28.09.1999. МПК B01F7/00; F24D3/08; F24J3/00. Заявка US19980133721 от 31.08.1998; патент US6595759 B2 от 22.07.2003. МПК F04D29/58; F04D5/00. Заявка US20010918325 от 30.07.2001; патент US7089886 B2 от 15.08.2006. МПК F24J3/00. Заявка US20040814189 от 01.04.2004; патент US6910448 B2от 28.06.2005. МПК F24J3/00. Заявка US20030612980 от 07.07.2003; патент US6976486 B2 от 20.12.2005. МПК F24J3/00. Заявка US20030682503 от 10.10.2003] описаны генераторы с одинаковыми роторами, снабженными полостями. Известно также устройство [Патент US7767159 B2 от 03.08.2010. МПК F01K25/00. Заявка US20070729753 от 29.03.2007], где ротор взаимодействует с концентрическим статором, оба снабжены периферийными отверстиями, которые способны при вращении резать и пропускать жидкость под давлением на высоких частотах. Все вышеперечисленные устройства имеют одни и те же недостатки, а именно сложную конструкцию и высокую стоимость.
Также хорошо известны устройства, способные генерировать гидродинамическую кавитацию путем принудительного прохождения жидкости через пластины с небольшими отверстиями. Они дают низкий КПД и подвержены засорению и эрозии при кавитации. Есть даже системы, в которых используются жидкостные вихри, главное низкое давление которых создают микропузырьки, а высокое периферическое давление вызывает их разрушение [патент US 2010/0103768].
В качестве ближайшего прототипа выбран кавитационный теплогенератор [патент RU 2312277 C1. МПК F24J 3/00. Заявка №2006106480/06 от 02.03.2006. Опубл.: 10.12.2007 в Бюл. № 34], состоящий из насоса-побудителя, вихревой камеры, снабженной с обеих торцевых сторон осевыми выходными каналами, одно из которых выполнено в форме сопла, гидравлически сообщенными через кольцевую корпусную камеру, снабженную дросселирующими соплами на входе и выходным направляющим аппаратом, подводящим закрученный поток жидкости к осевому соплу вихревой камеры с противоположной его закруткой, причем оба поступают в общий для них резонатор. С обеих сторон общего для теплогенератора и резонатора центрального вихревого канала установлены электронные вводы для подключения высокочастотного электрического генератора, а корпусные поверхности вихревой и кольцевой камер выполнены электроизолированными и подключены к источнику напряжения. К недостаткам устройства-прототипа можно отнести небольшой объем гидрозвуковой камеры, в результате чего требуется большее количество времени на нагрев жидкости. Кроме того, необходим дополнительный источник потребления электроэнергии-высокочастотный электрический генератор. Небольшой срок службы электроизоляционной поверхности вихревой и кольцевой камер, так как в процессе кавитации наблюдается износ внутренних поверхностей. Устройство имеет множество фасонных поверхностей, в результате чего его изготовление становится сложным и дорогостоящим.
Задачей изобретения является объединение в одном устройстве двух способов возбуждения кавитации без использования дополнительных устройств: гидродинамический и гидрозвуковой.
Поставленная задача решается тем, что кавитационный теплогенератор включает в свой состав:
камеру высокого давления, предпочтительно цилиндрической формы, к которой присоединен патрубок. Камера высокого давления в своей нижней части снабжена опорой с центральным отверстием, к которой приварена полипропиленовая соединительная муфта при помощи полипропиленовой трубки. Внутри муфты находится латунная втулка с внутренней резьбой и совпадает с осью камеры. Другой конец камеры открытый, содержит крепежный элемент для прочного и герметичного крепления камеры высокого давления ко всей остальной части корпуса устройства;
вихревую трубу, расположенную внутри камеры высокого давления, и снабженную боковыми отверстиями, оси которых тангенциально выровнены с окружностью вихревой трубы;
первую часть кольцевого разделителя, имеющую форму цилиндра и снабженную первым фланцем для герметичного соединения с крепежным элементом камеры высокого давления. Кольцевой разделитель снабжен центральным цилиндрическим выступом с отверстием, подходящим для соединения с вихревой трубой, и на противоположной стороне - полукруглую выпуклость, расположенную вокруг круглого отверстия, чтобы образовать половину части радиальной и кольцевой трубки Вентури, поперечное сечение внешних краев которой образует круглое концентрическое углубление;
вторую часть кольцевого разделителя цилиндрической формы, снабженную вторым фланцем, подходящим для герметичного соединения с первым фланцем и имеющим концентрическое кольцевое углубление, так что при присоединении к указанному кольцевому разделителю образуется поперечная тороидальная полость, снабженная обращенным к центру круглым отверстием. На противоположной стороне расположен круглый выступ с прямоугольным поперечным сечением;
резонансную камеру цилиндрической формы с закрытым концом с одной стороны, который прикреплен с помощью шайбы и гайки к концу стержня регулирования потока, снабжённого резьбой для обеспечения регулирования потока. Открытый край резонансной камеры концентрически расположен на небольшом расстоянии от круглого выступа второй части кольцевого разделителя, образуя круглую прорезь;
собирающую камеру, которая снабжена выпускным патрубком для соединения камеры с трубой гидравлического контура. Собирающая камера снабжена опорой с центральным отверстием, к которой приварена полипропиленовая соединительная муфта при помощи полипропиленовой трубки. Внутри соединительной муфты находится латунная вставка с внутренней резьбой и совпадает с осью собирающей камеры. На краю открытого конца собирающей камеры имеется третий фланец, предназначенный для герметичного крепления ко второму фланцу.
цилиндрический стержень, который можно поворачивать с помощью двух рукоятей, причем стержень имеет резьбу, благодаря чему он может ввинчиваться в латунную втулку, которая расположена в соединительной муфте. Противоположный конец стержня снабжен винтом с шайбой и гайкой;
диск представляет собой тонкую пластину круглой формы с достаточной массой для достижения высоких частот колебаний, но в то же время выдерживающей значительные деформирующие силы, с небольшими отверстиями, которые используются для уменьшения массы и в то же время для создания дополнительной кавитации. Диск имеет диаметр, равный или превышающий диаметр полукруглой выпуклости, которая расположена концентрически по отношению к отверстию центрального цилиндрического выступа, так чтобы образовать узкую круглую щель. Диск снабжен центральным отверстием, в которое входит винт. Гайка может регулировать давление упругих элементов на диск, в результате чего диск может создавать резонансные колебательные движения;
уплотнительное кольцо прямоугольного сечения, расположенное вокруг цилиндрического стержня регулирования давления, установленного в корпусе на дне камеры высокого давления для предотвращения утечек;
рукояти или другие ручные вспомогательные средства, закрепленные на внешних кромках стержня регулирования потока и цилиндрического стержня с помощью металлического стержня;
прокладки, которые используются для предотвращения утечки жидкости. Прокладки расположены между фланцами камеры высокого давления, первой части кольцевого разделителя, второй части кольцевого разделителя и собирающей камеры, которые прочно соединены при помощи дополнительных винтов, шайб и гаек, распределенных в отверстиях на фланцах.
Поставленная задача решается благодаря способности устройства генерировать гидрозвуковую кавитацию в резонансной камере, где ламинарный поток движется медленно, за счет только турбулентного потока гидродинамической кавитации, что приводит к генерации волн большой амплитуды, которые вызывают колебания давления в ламинарном потоке. Гидродинамический кавитационный теплогенератор создает облака из микропузырьков благодаря своей способности фракционировать поток жидкости, радиально рассеивая его в очень тонком слое с высокой скоростью, толщина которого может регулироваться снаружи, в соответствии с характеристиками давления и потока, плотностью и вязкостью жидкости. Диск ограничивает радиальную толщину трубки Вентури, где жидкость ускоряется, так что, когда скорость жидкости увеличивается, давление уменьшается (в соответствии с принципом Бернулли), и указанный тонкий диск принудительно отталкивается назад большим давлением нисходящего потока. С уменьшением щелевого прохода давление на входе мгновенно возрастает и толкает диск в исходное положение. Диск удерживается упругими элементами с ограниченным ходом, что позволяет устанавливать вибрационное движение. Частота колебаний диска пропорционально давлению потока и площади диска и обратно пропорционально его массе. Вибрационное движение указанного диска определяет колебания скорости и давления через зазор, обтекающей его жидкости, что также вызывает колебания давления выше и ниже диска в виде волн давления. Одновременно в канавочном канале создается гидродинамическая кавитация, где при более высокой скорости потока создается меньшее количество микропузырьков большего диаметра, а при более низкой его скорости генерируется большее количество микропузырьков с меньшим диаметром. Амплитуда движения диска может изменяться от нескольких тысячных долей миллиметра до более 1 мм, его частота зависит от плотности, вязкости и давления рабочей жидкости, давления, приложенного к упругим элементам, и массы диска и может достигать звукового диапазона до сотен кГц. Кроме того, количество энергии, которое будет рассеиваться в виде вибрации и шума, используется в качестве полезной энергии путем преобразования вибрации в поле резонансных волн давления в резонансной камере. Частота вибрации и время воздействия потока жидкости на волны давления регулируются извне.
Предлагаемое техническое решение пояснено следующими чертежами.
На фиг. 1 показано поперечное сечение кавитационного теплогенератора и путь жидкости внутри устройства с помощью стрелок.
На фигурах 2 и 3 показаны элементы кавитационного теплогенератора, где
1 – камера высокого давления,
2 – патрубок,
3 – опора с центральным отверстием камеры высокого давления,
4 – полипропиленовая соединительная муфта камеры высокого давления,
5 – полипропиленовая трубка камеры высокого давления,
6 – латунная втулка,
7 – внутренняя резьба,
8 – крепежный элемент,
9 – вихревая труба,
10 – боковые отверстия,
11 – первая часть кольцевого разделителя,
12 – первый фланец,
16 – вторая часть кольцевого разделителя,
20 – резонансная камера,
21 – закрытый конец,
22 – стержень,
23 – резьба,
24 – собирающая камера,
25 – выпускной патрубок,
26 – опора с центральным отверстием собирающей камеры,
27 – полипропиленовая соединительная муфта собирающей камеры,
28 – полипропиленовая трубка собирающей камеры,
29 – латунная вставка,
31 – цилиндрический стержень,
32 – рукоять,
33 – резьба,
34 – винт,
35 – шайба,
36 – гайка,
37 – средства крепления,
38 – диск,
40 – центральное отверстие диска,
41 – уплотнительное кольцо прямоугольного сечения,
42 – корпус,
43 – металлический стержень,
44 – прокладки,
45 – дополнительный винт,
46 – дополнительная шайба,
47 – дополнительная гайка,
48 – отверстия на фланцах.
На фиг. 4 представлена вихревая труба с тангенциальными прорезями (вид сверху), где 9 – вихревая труба, 10 – боковые отверстия.
На фиг. 5 показана первая и вторая часть кольцевого разделителя, где 11 – первая часть кольцевого разделителя, 12 – первый фланец, 13 – центральный цилиндрический выступ, 15 – круглое концентрическое углубление, 16 – вторая часть кольцевого разделителя, 17 – второй фланец, 18 - концентрическое кольцевое углубление, 19 – круглый выступ с прямоугольным поперечным сечением, 48 – отверстия.
На фиг. 6 показан диск с несколькими небольшими отверстиями, где 38 – диск, 39 – отверстия, 40 – центральное отверстие.
Фиг. 7 иллюстрирует конфигурацию гидравлического контура, с использованием кавитационного теплогенератора, который связан с открытым резервуаром, специально для использования в качестве водонагревателя и очистителя, где 49 – резервуар, 50 – насос, 51 – кавитационный теплогенератор.
На фиг. 8 показана конструкция гидравлического контура с системой «байпас», где 49 – резервуар, 50 – насос, 51 – кавитационный теплогенератор, 52 – система «байпас», 53 – регулирующая арматура, 54 – теплообменник.
На фиг. 9 представлен схематический чертеж гидравлического контура, снабженного теплообменником, где 49 – резервуар, 50 – насос, 51 – кавитационный теплогенератор, 54 – теплообменник, 55 – расширительный сосуд, 56 – предохранительный клапан.
На чертежах не указаны элемент 14 – полукруглая выпуклость, расположенная вокруг круглого отверстия 13 и элемент 30 – третий фланец.
Работа кавитационного теплогенератора начинается, когда вода или другая рабочая жидкость поступает в указанную камеру высокого давления 1, где она сразу направляется внутрь вихревой трубы 9 через боковые отверстия 10, направленные тангенциально, подвергаясь угловому ускорению и предполагая спиральное движение вокруг стержня регулирования давления 31. При достижении диска 38, поток жидкость направляется в радиальном направлении наружу, проходя через узкую щель Вентури, где она подвергается сильному ускорению и, следовательно, резкому снижению давления. Это высокое разрежение создает много пузырьков кавитации и заставляет диск 38 прижиматься к выпуклости указанного кольцевого разделителя 11, 16, резко уменьшая площадь прохода для потока в указанной прорези, но не закрывая ее полностью из-за мгновенного повышения давления на входе. Резонансное колебательное движение диска 38 устанавливается в соответствии с / f = (P × A × t) / (I × m), где f - частота, P - давление потока, A, площадь диафрагмы, t время, I, свободный ход диафрагмы и m, ее масса.
2
2
Вибрационное движение передается объему жидкости ниже указанной диафрагмы в виде волн с чистой мощностью, определяемой как: I = (P × Q) / (A × k), где I - мощность в Вт / см, P - давление в кг / см, Q - скорость потока в литрах в минуту, A - площадь диафрагмы, k – постоянный коэффициент (равен 0,6). На этом основании диск 38 легко достигает ультразвуковых частот.
3
Давление жидкости в самой узкой точке кольцевой трубки Вентури всегда ниже, чем точка паров жидкости из-за колебаний скорости, которая создает плотное облако кавитационных микропузырьков разного размера. Поскольку поток движется радиально в пределах узкого отверстия трубки Вентури, его скорость падает экспоненциально и, наоборот, происходит с давлением, которое вызывает схлопывание микропузырьков за очень короткое время. Указанная тороидальная полость вокруг краев диска 38 создает внутренний тороидальный вихрь, периферическое центробежное давление, сжимающее все микропузырьки, создает защитный барьер, который предотвращает эрозию внутренних стенок камеры. Оттуда поток жидкости направляется в резонансную камеру 20, диаметр которой существенно больше, чем впускная форсунка. В указанной резонансной камере создает эффект Доплера, так что даже в резонансном режиме волны, удаляющиеся от указанной диафрагмы, имеют большую длину, чем отраженные. Таким образом, получая большое разнообразие размеров микропузырьков, канал для жидкости ведет его в собирающую камеру 24, где жидкость поглощает звук и вибрации, создаваемые стенками резонансной камеры 20, а затем вытесняется через выпускной патрубок 25. Микропузырьки, генерируемые волнами инфразвука и ультразвука, как правило, сферические и взрываются энергией: E = 4/3 × π × R × P, где R - радиус микропузырьков, а P - пиковое давление волн давления.
Для нагрева воды в резервуарах (фиг. 7), таких как плавательные бассейны и спа-салоны и даже бытовые котлы 49, которые работают при температуре ниже 50 ° С, жидкость отбирается из резервуара 49 с помощью насоса 50, подается непосредственно в настоящий генератор 51 и возвращается в резервуар 49. Эта конфигурация также может быть использована для стерилизации жидкостей, ускорения химических реакций, эмульгирования, производства биодизеля и других процессов, требующих воздействия интенсивной кавитации. Для использования нагрева, необходима система «байпас» 52 и регулирующая арматура 53 для регулирования количества жидкости, которая должна быть повторно обработана, и выпущена, при желаемой температуре, в бытовой котел (фиг. 8). Для нагрева других жидкостей, таких как пищевые продукты, химикаты или для нагрева окружающей среды, теплообменник 54 должен быть связан с расширительным сосудом 55, обязательно снабженным предохранительным клапаном 56 (фиг. 9).
Разница в энергетических затратах между предлагаемым техническим решением и прототипом позволит производить протекание рабочего процесса на более высоком уровне энергии, следовательно, получать большую энергию на выходе.
Изобретение раскрывает устройство, с помощью которого возможно нагревать непосредственно или через теплообменник воду или другие жидкости и даже окружающую среду с термодинамическим КПД (коэффициент полезного действия), превышающим более 200% в отношении мощности, подаваемой на устройство ввода. Кроме того, изобретение может использоваться для стерилизации жидкостей, ускорения химических реакций, эмульгирования, производства биодизеля с той же эффективностью и не зависеть от температуры окружающей среды и относительной влажности воздуха.