ВИХРЕВОЙ НАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК F25B29/00 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к устройствам для нагрева жидкости, и может быть использовано в системах отопления зданий и сооружений, транспортных средств, подогрева воды для производственных и бытовых нужд, сушки сельхозпродуктов. Кроме того, устройство может быть использовано для подогрева непосредственно в трубопроводе вязких жидкостей типа нефти с целью снижения вязкости жидкости и улучшения ее реологических свойств.

Вихревой нагреватель является источником тепловой энергии, получаемой за счет происходящих в системе жидкость - установка физических процессов, возникающих при вращательном и поступательном движении теплоносителя в системе под воздействием внешних сил. Электронасосным агрегатом обеспечиваются давление и расход теплоносителя, который при движении внутри предлагаемой конструкции вихревой установки разогревается до заданной температуры.

Уровень техники
Известны устройства тепловых насосов, использующих изменение физико-механических параметров среды, в частности давления и объема, для получения тепла.

В известных устройствах в качестве среды может быть использована, например, паровоздушная смесь или жидкость. В этих устройствах путем изменения давления и скорости среды генерируется тепловая энергия, позволяющая снизить затраты электроэнергии для получения тепла.

Так, известен тепловой насос, выполняющий функцию теплогенератора, рабочей средой которого является жидкость - вода, содержащий корпус в виде герметичного сферического сосуда, наполненного рабочей средой с расположенным в нем теплообменником, сетевой насос, обеспечивающий сжатие среды внутри корпуса, подающие и обратные тепломагистрали, оснащенные запорными вентилями, и потребитель тепла (а.с. СССР N 458591, F 25 B 29/00, 1972).

Основной недостаток описанного теплового насоса - очень высокое рабочее давление, развиваемое в корпусе, которое достигает 1000 атм. Такие рабочие параметры установки предъявляют повышенные требования к прочности корпусных деталей, запорных вентилей и трубопроводов, что приводит к увеличению себестоимости установки.

Кроме того, использование установки для отопления жилых помещений опасно ввиду высокого рабочего давления.

Прототипом может служить устройство, описанное в патенте РФ (RU) 2045715, кл. F 25 B 29/00, 10.10.95. Согласно этому патенту в теплогенераторе, имеющем корпус с цилиндрической частью, установлен ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, торцевая сторона которого соединена с цилиндрической частью корпуса. В основании цилиндрической части, противолежащей циклону, смонтировано тормозное устройство. За тормозным устройством в цилиндрической части корпуса установлено дно с выходным отверстием, сообщающимся с выходным патрубком, соединенным с циклоном с помощью перепускного патрубка, причем соединение выполнено на торце циклона, противолежащем цилиндрической части корпуса соосно последнему. Тормозное устройство выполнено по меньшей мере из двух радиально расположенных ребер, закрепленных на центральной втулке.

Благодаря тому, что корпус теплогенератора в нижней части оснащен циклоном, рабочая жидкость под давлением, тангенциально поступая в него, проходит по спирали. Движение жидкости приобретает характер вихревого, скорость ее возрастает, и она попадает в цилиндрическую часть корпуса, диаметр которой в несколько раз превышает диаметр инжекционного отверстия, а затем в тормозное устройство. Такое конструктивное выполнение корпуса позволяет снизить скорость и давление среды, при этом в соответствии с законами термодинамики изменяется механическая энергия жидкости, направленная на возрастание ее температуры.

Дополнительное тормозное устройство, установленное в перепускном патрубке, повышает эффективность нагрева жидкости. Перепад давления на выходе из тормозного устройства в верхней части корпуса за счет соотношения выпускного отверстия корпуса и перепускного патрубка обеспечивает превалирование горячего потока жидкости над холодным. Перепускной патрубок обеспечивает перепускание жидкости из корпуса теплогенератора в выходной патрубок в случае закупорки выпускного отверстия, а также скачков давления жидкости в системе.

Недостатком известного устройства является снижение интенсивности нагрева теплоносителя из-за уменьшения скорости вращения по мере его удаления от циклона. Кроме того, имеются дополнительные потери тепла в перепускном патрубке, а также гидродинамические потери из-за малого диаметра и большой длины перепускного патрубка. Все это снижает эффективность теплогенератора в целом.

Технический результат от использования изобретения заключается в улучшении нагрева жидкости за счет создания положительной обратной связи по теплу путем обогрева всей поверхности внутренней цилиндрической оболочки потоком нагретой жидкости, движущейся между наружной и внутренней оболочками в направлении циклона, более полного использования тепла при обратной связи за счет циркуляции потока нагретого теплоносителя, возвращающего часть тепла на вход нагревателя, внутри системы (без наружного перепускного патрубка). Кроме того, обеспечивается поддержание постоянной скорости вращения жидкости на длине, по крайней мере двое большей, чем у прототипа, за счет шнеков во внутренней оболочке, щелевых завихрителей в конце внутренней оболочки и спиральных каналов между внутренней и наружной оболочками.

Сущность изобретения
Вихревой нагреватель - пассивный элемент нагревательной системы, обеспечивающей при достаточном давлении и количестве поступающей жидкости ее вихревое (вращательно-поступательное турбулентное) движение, при котором происходит интенсивный нагрев жидкости. Его функция - направление и обеспечение параметров потока, которые в сочетании с применяемым насосом наиболее эффективно преобразуют затрачиваемую на работу энергию в тепловую энергию, воспринимаемую теплоносителем.

Вихревой нагреватель не имеет движущихся и трущихся частей и представляет из себя систему каналов, в которых проходящая под давлением жидкость завихряется, изменяет свое направление и переносит тепло от одного участка завихрителя к другому, обеспечивая возрастающую интенсивность выделения тепла.

Поскольку при движении вдоль трубы шаг вращения изменяется по мере удаления от завихрителя и начинает преобладать поступательное движение, интенсивность нагрева по мере удаления от завихрителя уменьшается.

Предлагаемое изобретение позволяет:
- стабилизировать вращение перемещающейся жидкости вдоль всего нагревателя, обеспечивающего равномерное выделение тепла;
- создать два потока жидкости, движущихся по внутренней и внешней полости нагревателя и обеспечивающих положительную обратную связь по теплу, что повышает скорость нагрева.

Это достигается за счет того, что вихревой нагреватель, содержащий первую (внутреннюю) оболочку, с одной стороны (торца) которой установлен ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, входной патрубок которого предназначен для подключения к насосу, и выходной патрубок, согласно изобретению снабжен дополнительной (наружной) оболочкой, расположенной вокруг первой, по крайней мере одним спиральным каналом, расположенным между оболочками, и средством, обеспечивающим подачу жидкости из первой оболочки в спиральный канал, а выходной патрубок расположен на дополнительной оболочке со стороны ускорителя движения жидкости.

Средство, обеспечивающее подачу жидкости из первой оболочки в спиральный канал, может быть выполнено в виде щелей в первой оболочке, расположенных в ее конце, противоположном ускорителю движения жидкости.

Спиральные каналы могут быть образованы стальной лентой, навитой на первую (внутренннюю) оболочку с заданным шагом.

В первой оболочке на заданном расстоянии от ускорителя движения жидкости могут быть установлены шнековые завихрители.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен общий вид вихревого нагревателя.

Вихревой нагреватель содержит цилиндрический корпус 1, состоящий из внутренней оболочки 2, наружной оболочки 3 и дна 4, расположенного с одного торца (одной стороны) корпуса 1. С другой стороны (торца) корпуса установлен ускоритель 5 движения жидкости, выполненный в виде циклона, предназначенный для завихрения (закручивания) жидкости во внутренней оболочке 2. Входной патрубок 6 циклона предназначен для подключения нагревателя к напорному выходу насоса (на чертеже не показан).

В конце внутренней оболочки 2 рядом с дном 4 (со стороны дна 4) расположено средство для подачи и завихрения потока жидкости из внутренней оболочки 2 в наружную оболочку 3. Это средство может быть выполнено, например, в виде двух щелей 7 во внутренней оболочке 2, примыкающих к дну 4 и расположенных диаметрально противоположно.

Между внутренней 2 и наружной 3 оболочками расположены каналы, образованные навивкой на внутреннюю трубу по спирали с заданным шагом ленты 8 из стали. Наружный размер навитой ленты соответствует внутреннему диаметру наружной оболочки.

В нижней (по чертежу) части наружной оболочки со стороны циклона по касательной по ходу вращения жидкости приварен выходной патрубок 9, предназначенный для подключения к насосу или нагревательной (гидравлической) системе.

Для обеспечения постоянного вращения вдоль всей внутренней оболочки 2 на некотором удалении от циклона ставятся шнековые завихрители 10, предназначенные для обеспечения вращения потока с угловой скоростью, близкой к скорости на выходе из циклона.

Вихревой нагреватель работает следующим образом.

Давление, создаваемое насосом (не показан) на входе циклона 5 завихряет поток жидкости, поступающей во внутреннюю оболочку 2. Генерирующий тепло вихревой поток жидкости через шнековые завихрители 10 подается в конец внутренней оболочки 2 и через диаметрально противоположно расположенные две щели 7 - в наружную оболочку 3.

Поскольку влияние циклона 5 и щелей завихрителя 7 на вращение потока уже ослаблено из-за гидравлических потерь во внутренней оболочке 2, для его вращения с постоянным шагом используются специальные винтовые каналы, расположенные между внутренней и наружной оболочками, где жидкость вынуждена двигаться с постоянной скоростью и постоянным шагом.

Для создания положительной обратной связи по теплу накопленное жидкостью тепло переносится теплоносителем ко входу внутренней трубы и частично через стенки внутренней трубы передается поступающему от насоса охлажденному потоку, повышая интенсивность его нагрева. Через выходной патрубок 9 жидкость отсасывается к насосу. Далее циркуляция повторяется.

Таким образом, обеспечивается вращение потока жидкости на длине вдвое большей, с постоянным шагом и положительной обратной связью системы по теплу.

Отбор тепла может осуществляться забором части жидкости в нагревательную систему непосредственно из выходного патрубка 9 и входного патрубка 6 циклона ответвлением через тройники, или созданием теплообменника, отбирающего тепло от наружной оболочки 3.

Возможны другие варианты, но это не влияет на конструкцию описанного вихревого нагревателя.

Один вихревой нагреватель является модулем. Для получения большей мощности модули объединяются в сборки с подбором и установкой насосов соответствующей производительности.

Нагреватель предназначен для нагрева жидкости и может быть использован в системах отопления зданий и сооружений, транспортных средств, подогрева воды для производственных и бытовых нужд, сушки сельхозпродуктов. Вихревой нагреватель содержит внутреннюю цилиндрическую оболочку, с одного торца которой установлен ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, входной патрубок которого предназначен для подключения к выходу насоса. Дополнительная наружная оболочка расположена вокруг внутренней. Между оболочками расположен спиральный канал. В первой оболочке в ее конце, противоположном ускорителю движения жидкости, расположены щели для подачи жидкости из первой оболочки в спиральный канал. Выходной патрубок расположен на дополнительной оболочке со стороны ускорителя движения жидкости. Технический результат заключается в улучшении нагрева жидкости за счет создания положительной обратной связи по теплу. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Вихревой нагреватель, содержащий первую оболочку, с одного торца которой установлен ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, входной патрубок которого предназначен для подключения к насосу, и выходной патрубок, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной оболочкой, расположенной вокруг первой, по крайней мере одним спиральным каналом, расположенным между оболочками, и средством, обеспечивающим подачу жидкости из первой оболочки в спиральный канал, а выходной патрубок расположен на дополнительной оболочке со стороны ускорителя движения жидкости. 2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что средство, обеспечивающее подачу жидкости из первой оболочки в спиральный канал, выполнено в виде щелей в первой оболочке, расположенных в ее конце, противоположном ускорителю движения жидкости. 3. Нагреватель по п.1 или 2, отличающийся тем, что спиральные каналы образованы стальной лентой, навитой на первую оболочку с заданным шагом. 4. Нагреватель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он снабжен шнековыми завихрителями, расположенными в первой оболочке на заданном расстоянии от ускорителя движения жидкости.