ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩАЯ УСТАНОВКА "ТГУ-1" Российский патент 1997 года по МПК F24D3/02 

Изобретение относится к генерированию тепла экологически чистым способом и может быть использовано в жилищно-коммунальном хозяйстве и в любой отрасли промышленности для нагрева жидкостного теплоносителя.

Известна адиабатная вихревая воздушная труба, включающая цилиндрический корпус, тангенциальный сопловой ввод, дроссель, диаграмму, патрубки для ввода холодного и теплового воздуха (Холодильные машины. М. Легкая и пищевая промышленность, 1982. с. 190).

Известен воздушный генератор холода (тепла), включающий камеру, касательный к ней сопловой ввод, патрубки для вывода холодного и теплового воздуха (А.Холмская. Вихревые охладители, или холод порциями. Изобретатель и рационализатор. М. 1990, N 5, с. 8 9).

Известна система теплоснабжения, включающая тепловой насос, испаритель, конденсатор и газоход с установленным в нем первым и вторым по ходу газа теплообменниками с входными и выходными трубопроводами, подключенными к теплосети. При этом второй теплообменник снабжен соединенными между собой оросителями и поддоном (а.с. 1449779, б.1, 1989 г.).

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является теплонасосная установка, содержащая теплоприемник-испаритель, сепаратор, компрессор, насос, технологический теплоприемник-конденсатор, соединительные паропроводы, водоотводы, образующие контур циркуляции рабочего тела, а также технологический теплоприемник и приемник продувочных вод (а.с. 1643893, бюл. 2, 1988 г.).

Однако применение известных устройств не позволяет достичь относительно высокого КПД процесса генерирования тепла, так как основано на предварительном выделении внутренней энергии сжигаемого топлива, последующим передачи ее теплоносителю, а не использует непосредственно внутреннюю открытую энергию самого теплоносителя (воды).

Сущность изобретения заключается в том, что установка включает бак-аккумулятор с установленными в нем по центральной оси нагревательным элементом, выполненным в виде вихревой цилиндрической трубки с тангенциальным вводом теплоносителя и однонаправленной с ним винтовой нарезкой на ее внутренней поверхности, спирально-навивным теплоприемником испарителем, обрамляющим нагревательный элемент, и сепаратором горячей и холодной воды.

На фиг. 1 изображен общий вид установки сбоку с местным размером; фиг. 2 то же вид сверху.

Установка "ТГУ-1" cостоит из бака-аккумулятора 1 с установленным в нем соосно нагревательным элементом 2, выполненным в виде вихревой цилиндрической трубки с тангенциальным вводом 3 и винтовой нарезкой 4, являющейся продолжением тангенциального ввода 3. Между днищем бака-аккумулятора 1 и нагревательным элементом 2 размещен сепаратор 5 холодной и горячей воды. Сепаратор 5 выполнен в виде перфорированной горизонтально установленной перегородки. Тангенциальный ввод 3 нагревательного элемента 2 соединен с нагнетающим патрубком насоса 6 трубопроводом 7. Всасывающий патрубок насоса 6 соединен с выходным патрубком 8 бака аккумулятора 1 трубопроводом 9, имеющим врезку в подпиточный трубопровод 10. При этом выходной патрубок 8 расположен на уровне между сепаратором 5 и днищем бака аккумулятора 1. Бак - аккумулятор 1, тангенциальный ввод 3 и патрубок 8, трубопроводы 7 и 9, а также насос 6 образуют внутренний циркулирующий контур установки. На трубопроводе 10 установлен регулировочный вентиль 11. Бак-аккумулятор 1 снабжен герметично закрывающейся крышкой 12, имеющей штуцер 13, оканчивающийся вентилем 14 для соединения с нагнетающим трубопроводом 15 от компрессора 16. На крышке 12 выполнен также штуцер 17, оканчивающийся вентилем 18, для выпуска воздуха из полости бака аккумулятора 1 при заполнении установки теплоносителем.

Нагревательный элемент 2 в нижней части имеет отверстия 19 по периметру для выпуска нагревательного теплоносителя в полость бака аккумулятора 1. Вокруг нагревательного элемента 2 в полости бака аккумулятора коаксиально расположен спирально-навивной трубчатый теплоприемник-испаритель 20, свободные концы которого соединены с выходным 21 и входным 22 патрубками. Выходной патрубок 21 соединен трубопроводом 23 с конденсатором 24 (отопительным прибором), который, в свою очередь, трубопроводом 25 соединен с входным патрубком 22. На трубопроводе 23 между выходным патрубком 21 и конденсатором 24 выполнена врезка подпиточного трубопровода 26 с вентилем 27. Теплоприемник испаритель 20, патрубки 21 и 22, трубопроводы 23 и 25, а также конденсатор 24 образуют внешний циркуляционный контур.

Установка работает следующим образом.

Предварительно установка заполняется водой по внешнему и внутреннему циркуляционным контурам соответственно с помощью вентилей 11 и 27 через подпиточные трубопроводы 10 и 26. При заполнении бака аккумулятора 1 водой, воздух, находящийся внутри его полости, вытесняется и удаляется через штуцер 17 и вентиль 18. После заполнения установки водой подпитку прекращают закрытием вентилей 11 и 27, после чего включают насос 6.

Холодная вода из нижней части бака аккумулятора 1 через выходной патрубок 8 и трубопровод 9 насосом 6 нагнетается в трубопровод 7, из которого под давлением поступает в тангенциальный ввод 3 нагревательного элемента 2.

Попадая в нагревательный элемент 2 под давлением тангенциально, вода выделяет тепловую энергию за счет преобразования части собственной внутренней энергии, обусловленной возникновением сил трения между внутренними молекулярными слоями потока (кинетическая и динамическая вязкость). Преобразование внутренней энергии в тепловую интенсифицируется в заявляемой установке из-за выполнения на внутренней поверхности нагревательного элемента 2 винтовой нарезки 4, одновременной с тангенциальным вводом 3 и являющийся его продолжением. Наличие винтовой нарезки 4 позволяет устранить локальные завихрения в полости нагревательного элемента 2, упорядочить поток жидкости, увеличить поверхность контакта жидкости и нагревательного элемента 2, а следовательно, увеличить соответственно коэффициенты трения в вертикальной плоскости (коэффициент кинематической вязкости) и в горизонтальной плоскости (коэффициент динамической вязкости) за счет организации трения в полости нагревательного элемента 2 не только между слоями жидкости, но и дополнительно между слоями жидкости и развитой твердой поверхностью нагревательного элемента 2. Увеличение значений соответствующих коэффициентов трения приводит к увеличению значений самих сил трения, а следовательно, к увеличению количества выделяемой тепловой энергии. Использование такой конструкции нагревательного элемента 2 позволяет достичь повышения эффекта молекулярного разделения жидкости, интенсификации выделения тепловой энергии за счет преобразования кинетической энергии потока через внутреннюю энергию теплоносителя без использования процесса сжигания топлива с последующей передачей тепловой энергии теплоносителю (вод), а следовательно КПД установки.

Нагреваемый в элементе 2 теплоноситель через отверстия 19 выходит в полость бака аккумулятора 1, где происходит расслоение более нагретых и менее нагретых потоков жидкости за счет разности их плотностей. При этом более нагретые слои жидкости поднимаются в верхнюю часть бака аккумулятора 1, смывая снаружи поверхность спирально-навивного трубчатого теплоприемника- испарителя 20, а менее нагретые слои опускаются через сепаратор 5 в нижнюю часть бака аккумулятора 1. Установка сепаратора 5 способствует равномерному разделению более нагретой и менее нагретой областей жидкости в баке-аккумуляторе 1, уменьшая при этом вероятность образования локальных температурных перепадов в объеме жидкости.

Таким образом, осуществляется непрерывная циркуляция жидкости во внутреннем контуре установки при постоянной работе насоса 6 до достижения требуемой температуры теплоносителя в этом контуре.

Требуемая температура теплоносителя во внутреннем контуре определяется, в конечном счете, требуемой температурой на поверхности конденсатора 24, выполненного в виде отопительного прибора, то есть температурой жидкости во внешнем циркуляционном контуре.

При омывании теплоприемника испарителя 20 нагретой жидкостью в баке-аккумуляторе 1 за счет теплопередачи осуществляется нагрев жидкости внешнего циркуляционного контура, в котором по мере нагревания жидкости начинает происходить ее естественная циркуляция (за счет разности плотностей более нагретых и менее нагретых слоев жидкости) по трубопроводам 23 и 25. Наличие двух независимых замкнутых контуров в теплогенерирующей установке позволяет регулировать ее температурный режим в широком диапазоне (вплоть до получения пара во внешнем циркуляционном контуре). Высокие значения температур, внешнего теплоносителя могут быть достигнуты при использовании компрессора 16. При этом сжатый воздух от компрессора 16 через нагнетающий трубопровод 15 и вентиль 14 подается в полость бака-аккумулятора 1, создавая там избыточное давление, позволяющее нагревать теплоноситель внутреннего циркуляционного контура выше 100 град. С (точки кипения при атмосферном давлении) без кипения этого теплоносителя. Степень сжатия в полости бака-аккумулятора 1 обуславливает параметры перегретого теплоносителя во внутреннем, и следовательно, во внешнем циркуляционном контурах.

Поскольку принцип действия установки основан на использовании только кинетической энергии потока жидкости и требует только затрат электрической энергии, то заявляемую установку можно считать экологически чистой, не выделяющей в окружающую среду загрязняющих веществ, обычно сопровождающих процесс сжигания топлива.

С целью подтверждения существенности отличительных признаков заявляемой установки на лабораторном стенде проводили ее испытания. Результаты испытаний сведены в таблицу.

Использование: в области генерирования тепла в жилищно-коммунальном хозяйстве и в любой отрасли промышленности для нагрева жидкого теплоносителя. Сущность изобретения: установка включает бак-аккумулятор с установленными в нем по центральной оси нагревательным элементом, спирально-навивным теплоприемником-испарителем, обрамляющим нагревательный элемент, и сепаратором горячей и холодной воды. Нагревательный элемент выполнен в виде вихревой цилиндрической трубки с тангенциальным вводом и однонаправленной с ним винтовой нарезкой на внутренней поверхности трубки. 2 ил.

Теплогенерирующая установка ТГУ-1, содержащая теплоприемник-испаритель, сепаратор, компрессор, насос, конденсатор, соединительные трубопроводы, образующие внутренний и внешний контуры циркуляции, отличающаяся тем, что установка включает бак-аккумулятор с установленными в нем по центральной оси нагревательным элементом, выполненным в виде вихревой цилиндрической трубки с тангенциальным вводом и однонаправленной с ним винтовой нарезкой на ее внутренней поверхности, спирально-навивным теплоприемником-испарителем, обрамляющим нагревательный элемент, и сепаратором горячей и холодной воды.