КАВИТАТОР ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В ЖИДКОСТИ Российский патент 1999 года по МПК F24J3/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в качестве элемента теплооборудования как в системах отопления, так и в аппаратах нагрева различного назначения.

Известно использование кавитаторов для получения тепловой энергии в жидкостях (патент РФ N 2061195, F 24 J 3/00, 1995).

В описании изобретения по указанному патенту предлагается использовать в качестве источника кавитации 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.

Для реализации кавитационных процессов в жидкости, как показывают исследования, могут быть использованы также различного типа вибраторы или вводимые в жидкость источники акустических волн. Эти же исследования показывают, что наилучшие результаты с точки зрения тепловыделения в жидкости достигаются при использовании трубки Вентури. Но и в этом случае имеет место недостаточно высокий КПД преобразования, понимаемый в отмеченном выше смысле.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является получение технического результата, заключающегося в повышении тепловыделения в кавитационной жидкости.

Предлагаемое устройство не имеет общих конструктивных признаков с известным из названного патента источником кавитации для тепловыделения в жидкости - многоканальной центробежной форсункой. Что же касается упомянутой трубки Вентури или каких-либо других конкретных кавитаторов, то использование их в качестве средств для реализации процесса тепловыделения в жидкости не известно.

Поставленная задача решается за счет того, что кавитатор для тепловыделения в жидкости содержит размещенные внутри цилиндрического корпуса соосно с ним трубку Вентури и установленную на ней вставку, перед которой со стороны набегающего потока на трубке Вентури установлен с возможностью вращения относительно нее шнек, вставка со стороны выхода потока выступает за пределы трубки Вентури, на наружной поверхности вставки выполнены продольные пазы, открытые со стороны шнека, а с противоположной стороны сообщающиеся посредством отверстий с выходной поверхностью вставки.

Предпочтительным является такое выполнение предлагаемого кавитатора, при котором поверхности трубки Вентури и вставки со стороны выхода потока являются частями одной и той же конической поверхности, а каналы отверстий, посредством которых пазы вставки сообщаются с выходной поверхностью вставки, ориентированы по нормали к этой поверхности.

Оптимальный угол при вершине конической поверхности, частями которой являются выходные поверхности трубки Вентури и вставки, заключен в пределах 40 - 70^o, а оптимальные значения угла подъема винтовой поверхности шнека составляют 30 - 50^o.

В частном случае трубка Вентури и вставка могут быть выполнены как одно целое.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображен продольный разрез кавитатора.

Предлагаемый кавитатор для тепловыделения в жидкости содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого осесимметрично размещена трубка Вентури 2 с центральным каналом, выходящим в зону кавитации, т.е. пространство, расположенное за выходным сечением трубки Вентури. На трубке Вентури 2 со стороны набегающего потока жидкости размещен шнек (крыльчатка) 3, а за шнеком 3 - соосная с трубкой Вентури 2 вставка 4. Конец ее, выступающий за пределы трубки Вентури, ограничивает зону кавитации. Во вставке 4 выполнены продольные пазы 5, открытые навстречу набегающему потоку жидкости. С противоположной стороны продольные пазы 5 вставки 4 имеют выход через сквозные отверстия 6 в теле вставки в зону кавитации.

В качестве материалов для изготовления кавитатора могут быть использованы углеродистые стали, если теплоносителем является обычная вода, или специальные стали и металлы, если теплоноситель химически активен.

Предлагаемый кавитатор для тепловыделения в жидкости используется и работает следующим образом.

Корпус 1 "врезается" в трубопровод, по которому перекачивается подлежащая нагреву жидкость. Набегающий поток жидкости приводит во вращение шнек 3. Последний при своем вращении перекрывает продольные пазы 5 вставки 4. При этом за выходным сечением трубки Вентури 2 вследствие перепада давления создается зона развитой кавитации. Интенсивность кавитации резко усиливается циклическим срывом в эту зону кавитирующей жидкости из отверстий 6, обусловленным тем, что поступление жидкости к этим отверстиям через продольные пазы 5 поочередно перекрывается вращающимся шнеком.

Практические испытания кавитатора для тепловыделения в жидкости были проведены на аппарате, состоящем из замкнутого гидравлического контура длиной L = 40 м (диаметр d = 25 мм, поверхность излучения 5 м²), насоса (КПД η_нас = 0,6), электродвигателя (КПД η_эл.дв = 0,84) и собственно предлагаемого кавитатора. В качестве теплоносителя использовалась обычная вода.

В ходе испытаний осуществлялась регистрация электрических характеристик - мощности, напряжения и тока. Кроме этого регистрировалось время экспериментального цикла, а также изменения температуры и давления воды.

В качестве рабочего диапазона температур был выбран интервал 40 - 60^oC - типичный для отопительных систем жилых помещений.

Результаты испытаний приведены в таблице, где для сравнения приводятся также данные параллельных контрольных испытаний кавитаторов в виде трубки Вентури, имеющих близкие значения сечений внутренних каналов.

где ΔT - изменение температуры;
P - давление жидкости перед входом в кавитатор;
N_эл - электрическая мощность;
E_эл - расход электроэнергии за время τ;
S - рабочее сечение внутреннего канала кавитатора;
τ - время подъема температуры в аппарате от 40 до 60^oC;
ΔQ - увеличение теплосодержания аппарата за время экспериментального цикла;
η - коэффициент преобразования вводимой в аппарат электрической энергии в тепловую без учета энергии на теплоизлучение в помещение и конвекцию воздуха;
d - диаметр канала трубки Вентури.

Анализ результатов испытаний, приведенных в таблице, показывает, что кавитатор предлагаемой конструкции имеет при прочих равных условиях более высокую степень преобразования вводимой в гидравлический контур электрической энергии в тепловую.

С помощью предлагаемого кавитатора для тепловыделения в жидкости может быть решена задача повышения экономичности систем обеспечения теплом и горячей водой жилых и общественных зданий. В связи с этим можно считать, что использование предлагаемого технического решения в отопительных системах и других нагревательных устройствах различного назначения имеет вполне благоприятную перспективу.

Изобретение может быть использовано в теплоэнергетике в аппаратах нагрева жидкостей различного назначения. Кавитатор для тепловыделения в жидкости содержит размещенные внутри цилиндрического корпуса (1) соосно с ним трубку Вентури (2) и установленную на ней вставку (4). Перед вставкой (4) со стороны набегающего потока на трубке Вентури (2) установлен с возможностью вращения относительно нее шнек (3). Вставка (4) со стороны выхода потока выступает за пределы трубки Вентури (2). На наружной поверхности вставки (4) выполнены продольные пазы (5), открытые со стороны шнека (3), а с противоположной стороны сообщающиеся посредством отверстий (6) с выходной поверхностью вставки (4). Использование изобретения обеспечивает увеличение коэффициента преобразования энергии движущейся жидкости в тепловую. 4 з.пп. ф-лы, 1 ил.

1. Кавитатор для тепловыделения в жидкости, содержащий цилиндрический корпус, отличающийся тем, что в корпусе соосно с ним установлена трубка Вентури с размещенной на ней вставкой, перед которой со стороны набегающего потока на трубке Вентури установлен с возможностью вращения шнек, вставка со стороны выхода потока выполнена выступающей за пределы трубки Вентури и на ее наружной поверхности выполнены продольные пазы, открытые со стороны шнека, а с противоположной стороны сообщающиеся посредством отверстий с выходной поверхностью вставки. 2. Кавитатор по п.1, отличающийся тем, что поверхности трубки Вентури и вставки со стороны выхода потока являются частями одной и той же конической поверхности, а каналы отверстий, посредством которых пазы вставки сообщаются с выходной поверхностью вставки, ориентированы по нормали к этой поверхности. 3. Кавитатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что угол при вершине конической поверхности, частями которой являются выходные поверхности трубки Вентури и вставки, составляет 40 - 70^o. 4. Кавитатор по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что угол подъема винтовой поверхности шнека составляет 30 - 50^o. 5. Кавитатор по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что трубка Вентури и вставка выполнены как одно целое.