ЭЛЕКТРОНАСОС ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ГЕРМЕТИЧНЫЙ - ТЕПЛОГЕНЕРАТОР
ELECTRICALLY DRIVEN PUMP-SEALED ROTARY HEAT GENERATOR

Изобретение относится к области насосостроения и может найти применение в центробежных герметичных электронасосах, перекачивающих взрывопожароопасные жидкости с повышенной вязкостью (например, нефтепродукты и др.) на предприятиях нефтехимической промышленности.
В настоящем изобретении усовершенствуются известные конструкции центробежных герметичных электронасосов, содержащие в едином корпусе подвод, рабочее колесо и отвод насоса, статор и ротор приводного электродвигателя и радиальные и осевые опоры скольжения (см. например, Васильцов Э.А., Невелич В.В. «Герметические электронасосы». - М.: «Машиностроение», 1968, с.234, а также герметичные центробежные электронасосы по SU 1038596 A и SU 1038597 A, класс F04D 13/06, лопастной насос по SU 523196 A, кл F04D 9/06, электронасос центробежный герметичный-теплогенератор по RU 2416768 C1 и др.).
Наиболее близким к изобретению является электронасос центробежный герметичный - теплогенератор, содержащий в одном корпусе подвод, рабочее колесо и отвод насоса, а также статор и, установленный в опорах скольжения на полом валу полый ротор приводного электродвигателя, внутри которого выполнена тепловая труба, а в установленный на валу гидродинамический роторный кавитатор включен ультразвуковой резонансный усилитель кавитации (RU 2416768 С1, кл. F24J 3/00, F04D 13/06, 20.04.2011).
Недостатками указанных конструкций при перекачивании жидкостей с повышенной вязкостью при обычной температуре являются:
- снижение всасывающей способности насоса, для устранения чего требуется повышение давления жидкости на входе в насос или предварительный подогрев перекачиваемой жидкости;
- снижение к.п.д. насоса и увеличение потребляемой электронасосом мощности.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. улучшение всасывающей способности электронасоса, повышение его к.п.д. и снижение потребляемой им мощности за счет повышения температуры перекачиваемой жидкости внутри электронасоса.
Технический результат достигается тем, что в электронасосе центробежном герметичном - теплогенераторе, содержащем в одном корпусе подвод, рабочее колесо и отвод насоса, а также статор и, установленный в опорах скольжения на полом валу полый ротор приводного электродвигателя, внутри которого выполнена тепловая труба, а в установленный на валу гидродинамический роторный кавитатор включен ультразвуковой резонансный усилитель кавитации, согласно изобретению в пространстве между статором и ротором на полом валу выполнены коаксиальные тепловые трубы.
При этом над расположенным внутри подвода гидродинамическим роторным кавитатором установлены излучатели переменных низкочастотных колебаний.
Существенным отличием данной конструкции является то, что предварительный нагрев, протекающей по контурам охлаждения статора и ротора электродвигателя, а также радиальных и осевой опор скольжения жидкости, полезно используется в последующих ступенях встроенного теплогенератора.
Указанная охлаждающая (и смазывающая опоры скольжения) жидкость через полый вал попадает в область ротора регулируемого по частоте вращения электродвигателя (например, индукторного или моментного), где внутри ротора выполнена тепловая труба, передающая выделяемое ротором тепло с помощью собственной «рабочей» жидкости через полый вал протекающей внутри вала жидкости, а через установленные на полом валу одну или несколько коаксиальных тепловых труб (например, перед ротором и после него по ходу жидкости), тепло от протекающей в пространстве между ротором и статором охлаждающей жидкости, передается жидкости, протекающей внутри полого вала в обратном направлении, дополнительно подогревая эту жидкость (см. например, GB 1283332 A, 1970, SU 306321 A, 1971 и SU 325468 A, 1972 и др.).
Таким образом, протекающая во внутреннем контуре электронасоса жидкость, первично подогревается при охлаждении опор скольжения, а также ротора и статора, а затем дополнительно нагревается в полом валу тепловыми трубами, которые по эффективности теплопередачи и нагрева протекающей внутри них жидкости значительно превосходят вихревые трубы базового объекта по RU 2416728 C1.
Установлено, что вмонтированные в полые роторы тепловые трубы позволяют увеличить нагрузку обычных асинхронных электродвигателей примерно на 15% (без увеличения температуры обмотки), а в связи с тем, что увеличение теплопередачи вращающихся тепловых труб пропорционально росту центробежного ускорения в степени одна четвертая, то наиболее эффективным в данных случаях является применение регулируемых по частоте вращения моментных (индукторных) электродвигателей.
Затем вторично подогретая жидкость по полому валу поступает в гидродинамический роторный кавитатор, представляющий собой вращающийся ротор - ступенчатый цилиндр с равномерно распределенными сквозными радиальными цилиндрическими или ступенчатыми (конические сходящиеся насадки, переходящие в расширенные цилиндрические) отверстиями, а коаксиально ротору в подводе выполнен статор - неподвижное кольцо со сквозными радиальными отверстиями, большими по диаметру, чем выходные отверстия во вращающемся цилиндре.
В начале конических насадков и при резком переходе их в цилиндрические отверстия образуются зоны пониженных давлений, способствующих образованию кавитационных пузырьков в жидкости еще во вращающемся цилиндре. В момент совмещения отверстий ротора с отверстиями в неподвижном кольце жидкость, проходя через внезапно расширяющиеся отверстия, опять образует области пониженного давления. При понижении давления ниже давления насыщенного пара жидкости, она интенсивно закипает, насыщая струи кавитационными пузырьками. После прохода этих зон давление в жидкости повышается и кавитационные пузырьки охлопываются, образуя волну гидравлических микроударов, нагревающих перекачиваемую жидкость (см., например, US 5341768 A, US 5188090 A, SU 1329629, кл. P24J 3/00, RU 2116583 C1, кл. F24J 3/00, RU 2159901 C1, кл. F24J 3/00 и др.).
На выходе из гидродинамического роторного кавитатора нагретая кавитирующая жидкость попадает в область воздействия переменных низкочастотных излучателей (например, электроакустических преобразователей), которые конвертируют электрическую энергию сети в энергию прямоугольных импульсов чередующейся полярности (к.п.д. таких генераторов близок к 100%).
3
Повышение температуры жидкости (и, соответственно, снижение ее вязкости и количества растворенного в ней газа) и снижение частоты воздействия излучателей приводит к снижению порогового значения интенсивности кавитации до 0,3÷0,5 Вт/см и меньше.
Интенсивность кавитации обратно пропорциональна звуковой частоте и при снижении частоты размеры кавитационных пузырьков увеличиваются, а мощность облучения при этом может быть более низкой по сравнению с ультразвуковым воздействием. В результате при определенных условиях мощность кавитации на единицу объема обрабатываемой жидкости увеличивается (при резонансе частот кавитатора и излучателей генератора - на 200-300%), что позволяет увеличить эффективность электронасоса - теплогенератора в несколько раз. А одновременное введение в жидкость акустических колебаний различных низких частот позволяет даже регулировать крупность капель, например, перекачиваемых эмульсий (масел с присадками, разных сортов нефтепродуктов и т.п.). Кроме того, преимущество многочастотной системы переменных низкочастотных колебаний по сравнению с ультразвуковым резонансным усилителем кавитации состоит в том, что в объеме жидкости не образуются мертвые зоны в узлах интерференции и инициируются и ускоряются различные физические и химические процессы. А, кроме того, многочастотная система излучателей переменных низкочастотных колебаний не требует индивидуальной подстройки рабочей частоты излучателей в резонанс с частотой гидродинамического роторного кавитатора, т.к., например, в предполагаемом изобретении предусматривается система излучателей с переменной «плавающей» частотой излучения в пределах 15-30-50-30-15 гц, когда собственная частота хотя бы одного излучателя системы в процессе работы совпадает в резонанс с частотой гидродинамического кавитатора.
После кавитационных ступеней теплогенератора нагретая жидкость через кольцевые сопла попадает во всасываемую рабочим колесом жидкость, повышая ее давление и нагревая ее (тем самым, снижая ее вязкость и уменьшая энергозатраты на ее перекачивание). Кроме того, напорные струи нагретой жидкости создают дополнительный эжектирущий эффект и направленное формирование потока на входе в рабочее колесо, что повышает его гидравлический к.п.д. и антикавитационные качества.
Использование предлагаемого герметичного электронасоса-теплогенератора существенно повышает активацию и экономичность технологических процессов и значительно уменьшает энергозатраты на их осуществление, т.к. по разным данным подобные устройства имеют коэффициент преобразования энергии (отношение вырабатываемой тепловой энергии к затрачиваемой) порядка 3,5-6. Таким образом, применение ЭЦГТ, например, в нефтехимической промышленности позволяет не только перекачивать и нагревать различные вязкие жидкости, но и использовать их как специальное технологическое оборудование (применение ЭЦГТ при одновременном создании и перекачивании высокодисперсных стойких водомазутных эмульсий из дешевых низкокачественных мазутов, обеспечивающих повышение к.п.д. котлов и срок службы при экономии топлива и значительном снижении вредных выбросов).
В конструкциях устройств по RU 2416768 C1 не предусматривается выполнение дополнительных функций теплопередачи от охлаждающей жидкости к основной перекачиваемой тепловыми трубами и усиления низкочастотной кавитации за счет применения излучателей переменных низкочастотных колебаний на основе основного предназначения электронасоса. Таким образом, заявляемая конструкция ЭЦГТ имеет вышеуказанные технические преимущества по сравнению с базовым объектом.
Данные, подтверждающие достоверность решения задачи изобретения, описаны в специальной технической литературе, например: Васильев Л.Л. Низкотемпературные тепловые трубы. - Наука и техника: Минск, 1976 г. Герасимов Ю.Р. и др. Разработка и исследование тепловых труб для охлаждения вращающихся устройств. - Киев, 1982 г.
Авторские свидетельства СССР №311110 (1970 г.), №399692 (1973 г.), №1076637, патент Великобритании №283332 (1971 г.)
Флинн Г. Физика акустической кавитации в жидкостях. - Мир: М.: 1967 г.
Промтов М.А. Пульсационные аппараты роторного типа. - Машиностроение: М. 2001 г.
Маргулис М.А. Звукохимические реакции и сонолюминисценция. - Химия: М., 1986 г.
Федоткин И.М. и др. Использование кавитации в технологических процессах. - Киев, 1984 г.
Карпова Н.И. и др. Низкочастотные акустические колебания на производстве. - М., 1981 г.
Донской А.В.и др. Ультрозвуковые электротехнические установки. - Энергоиздат: Л., 1982 г.
Патент UA 37410 А, 16.09.1998.
Патент SK 283365 B6, 03.06.2003.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен продольный разрез электронасоса центробежного герметичного - теплогенератора (ЭЦГТ).
Данный электронасос-теплогенератор включает в себя находящиеся в одном корпусе подвод 1, организующий всасываемый поток на выходе в рабочее колесо 2, отвод 3 (например, спиральный) насоса 3, экранированный статор 4 и экранированный ротор 5 регулируемого по скорости вращения электродвигателя (например, индукторного или моментного). Полый ротор 5 закреплен на полом валу 6, который установлен в опорах скольжения 7 и зафиксирован от осевого смещения осевой опорой 8 скольжения. Внутри полого ротора 5, выполнена тепловая труба 9, а по обе стороны на полом валу 6 выполнены тепловые трубы 10 и 11.
В зоне подвода 1 насоса на полом валу 6 закреплен ротор 12 кавитатора с радиальными цилиндрическими и ступенчатыми отверстиями, а на корпусе подвода закреплен неподвижный статор 13 кавитатора, также с радиальными отверстиями. Вращающийся ротор 12 и статор 13 с совместной системой радиальных отверстий образуют гидродинамический роторный кавитатор. А над указанным кавитатором внутри полости 14, образованной подводом 1, кольцом статора 13 и обтекателем 15, по окружности установлены излучатели 16 переменных низкочастотных колебаний.
При работе ЭЦГТ часть напорной жидкости после рабочего колеса 2 проходит через его радиальное щелевое уплотнение на смазку и охлаждение радиальных опор 7, охлаждение экранированного статора 4 и экранированного ротора 5, смазку и охлаждение осевой опоры 8 скольжения, подогреваясь во всех этих узлах. При этом указанная охлаждающая жидкость, попадая в пространство между статором 4 и полым валом 6, на котором перед ротором 5 и после него установлены тепловые трубы 10 и 11, передает, посредством собственной рабочей жидкости тепловых труб, тепло от протекающей в межстаторном пространстве жидкости к этой же жидкости, протекающей уже внутри полого вала 6 в обратном направлении (к входу в рабочее колесо 2 насоса), последовательно подогревая ее. Кроме того, тепловая труба 9, установленная внутри полого ротора 5 электродвигателя, также передает тепло от нагретого ротора к протекающей внутри полого вала 6 жидкости. Затем вторично подогретая тепловыми трубами жидкость по полому валу 6 поступает в установленный на нем ротор 12, и закрепленный на корпусе подвода 1, статор 13 гидродинамического роторного кавитатора. В кавитаторе эта жидкость, проходя по радиальным цилиндрическим и коническим отверстиям ротора 12, за счет центробежных сил приобретет дополнительный напор, а затем, проходя в резко расширяющиеся цилиндрические отверстия статора 13, попадает в зоны пониженного давления в статоре 13, а потом в полости 14 над статором 13, способствующие образованию кавитационных пузырьков в жидкости.
В полости 14 нагретая кавитирующая жидкость попадает в область воздействия переменных низкочастотных излучателей 16, где интенсивность низкочастотной кавитации увеличивается.
Разогретая жидкость проходит через цилиндрическое сопло 17, на входе в которое давление в жидкости возрастает и на выходе из него кавитационные пузырьки охлопываются с образованием гидравлических микроударов, нагревающих жидкость. Нагретые напорные струи, сформированные соплами в направлении безударного входа меридианного сечения рабочего колеса 2, повышают его гидравлический к.п.д. и антикавитационные качества насоса.
Таким образом, предлагаемая конструкция центробежного герметичного электронасоса - теплогенератора имеет практическую ценность и может создать технический и экономический эффект при изготовлении технологического оборудования в нефтехимической и др. отраслях промышленности, т.к. способствует решению важной задачи повышения температуры перекачиваемых жидкостей (особенно вязких) внутри электронасоса, снижения потребляемой при этом мощности, повышения к.п.д. электронасоса и улучшения его всасывающей способности.