ТЕПЛОГЕНЕРАТОР ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ Российский патент 1999 года по МПК F24D3/02 F24J3/00 

Изобретение относится к генерированию тепла экологически чистым способом и может быть использовано в любой отрасли промышленности и жилищно-коммунального хозяйства для нагрева жидкого теплоносителя (далее жидкости).

Известны различные теплогенераторы, использующие преобразование энергии движущихся рабочих тел в тепло, в частности, известны гидравлические теплогенераторы, в которых тепло вырабатывается при торможении закрученного потока жидкости.

Например, известна "Система теплоснабжена потребителей" (пат. РФ N 2059162, МПК 6 F 24 D 3/02), которая содержит теплогенератор в виде вихревой трубы с тангенциальным подводом жидкости, нагревающейся в цилиндрическом корпусе вихревой трубы, снабженной тормозным устройством и патрубком отвода нагретой жидкости.

В описанном и аналогичных ему устройствах движение жидкости, поступающей в вихревую трубу под давлением через закрывающее входное устройство, (которое может быть выполнено в виде улитки, одного или нескольких тангенциальных каналов и т.п.), приобретает вихревой характер. Скорость жидкости к моменту ее входа в вихревую трубу возрастает. Попав в нее, жидкость за счет действия центробежных сил отбрасывается в внутренней поверхности полости корпуса вихревой трубы и, омывая ее совершает спиралевидное движение, в ходе которого частично тормозится. При этом энергия торможения превращается в теплоту и подогревает движущуюся жидкость. Слои жидкости, находящиеся на разных расстояниях от оси вращения вихря, в соответствии с законом сохранения количества движения имеют различные скорости, что обуславливает трение между вращающимися друг относительно друга слоями жидкости и дальнейший ее нагрев.

Использование подобных описанному гидравлических теплогенераторов решает задачу надежного, хорошо регулируемого, экологичного и относительно компактного средства получения тепла и горячей воды. При этом гидравлический теплогенератор может быть установлен как в помещении, так и вне его, включая любые труднодоступные места.

Однако известные гидравлические теплогенераторы не обеспечивают быстрый нагрев теплоносителя (жидкости) до приемлемых температур (свыше 70^oC) и недостаточно компактны.

На устранение указанных недостатков направлена "Теплогенерирующая установка ТГУ-1 (Заяв. РФ N 94019359, МПК 6 25 B 29/00), в которой гидравлический теплогенератор, выполненный в виде вихревой трубы, установлен внутри бака-аккумулятора, а внутренняя поверхность полости корпуса вихревой трубы оребрена винтовой нарезкой, сонаправленной с потоком жидкости.

Описанная теплогенерирующая установка позволяет нагревать теплоноситель до приемлемых температур (до 145^oC, см. там же стр.6), осуществляя с помощью насоса циркуляцию теплоносителя через гидравлический теплогенератор.

Недостатками этого устройства являются:
- низкий, около 70 - 75% КПД;
- конструктивная сложность, большие габариты и ограниченная сфера возможного применения, обусловленные обязательностью наличия бака-аккумулятора и компоновочной схемой.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является принятый в качестве прототипа "Теплогенератор и устройство для нагрева жидкости" (Пат. ПФ N 2045715, МПК 6 25 29/00).

Это устройство реализует вышеописанный процесс преобразования энергии вращающегося потока жидкости (теплоносителя) в тепло более эффективно, чем другие известные теплогенераторы и содержит входное закручивающее жидкость устройство, соединенное с одним из торцев корпуса вихревой трубы, внутри которой у противоположного торца установлены тормозное устройство и патрубок отвода нагретой жидкости, полость которого перепускным каналом соединена с торцем входного закручивающего устройства.

В описанном теплогенераторе интенсификация нагрева жидкости достигается за счет введения перепуска и циркуляции части жидкости, что позволяет ей при неизменном общем расходе многократно поступать в зону выделения и подвода тепла.

Однако и этому, наиболее близкому к заявленному изобретению гидравлическому теплогенератору, присуще хотя и в меньшей степени, те же недостатки, которые были отмечены выше: большие габариты, конструктивная сложность, недостаточная эффективность.

Поэтому в основу изобретения была поставлена техническая задача создания гидравлического теплогенератора, который бы характеризовался минимальными габаритами, массой и более высокой эффективностью за счет интенсификации происходящих в нем процессов преобразования энергии.

Эта техническая задача решается тем, что в гидравлическом теплогенераторе, содержащем закручивающее входное устройство, соединенное с корпусом вихревой трубы, патрубок отвода нагретой жидкости с тормозным устройством, согласно изобретения, корпус вихревой трубы и патрубок отвода нагретой жидкости с тормозным устройством или без него, установлены по разные стороны входного закручивающего устройства, корпус выполнен в виде осесимметрично расширяющегося от входа к дну сосуда, внутренняя поверхность которого снабжена по меньшей мере двумя продольными канавками цилиндрической формы, равномерно распределенными по окружности поперечного сечения корпуса.

Размещение корпуса вихревой трубы и патрубка отвода нагретой жидкости по разные стороны входного закручивающего устройства в сочетании с приданием полости корпуса вихревой трубы, расширяющейся от горловины к дну формы, и выполнением на его внутренней поверхности продольных цилиндрических канавок, обеспечивают возникновение интенсивной циркуляции жидкости в полости корпуса, причем трение между вращающимися и смещающимися в осевом направлении слоями жидкости усиливается благодаря воздействию возмущений, создаваемых вращающимися в канавках протяженными вихрями, являющимися зонами активного торможения и выделения тепла. В результате взаимодействия комплекса факторов во вращающемся потоке жидкости существенно увеличиваются градиенты изменения скоростей как в поперечном так и в продольном по отношению к корпусу вихревой трубы направлениях с возникновением обратных токов жидкости в приосевой зоне с последующим выходом нагретой жидкости через плоскость входного завихряющего устройства в патрубок отвода нагретой жидкости.

Таким образом новая совокупность существенных признаков позволяет достичь технический результат, выражающийся в интенсификации процесса нагрева жидкости в гидравлическом теплогенераторе, что в свою очередь позволяет получать тот же результат, что и в известном теплогенераторе - прототипе при меньших габаритах и массе устройства. Кроме того, предложенный гидравлический теплогенератор имеет более простую компоновку и внешние обводы, удобные для его включения в различные как создаваемые, так и действующие системы теплоснабжения.

На фиг. 1 представлен общий вид с продольным разрезом теплогенератора гидравлического; на фиг. 2; - вариант исполнения продольных цилиндрических канавок.

Теплогенератор гидравлический содержит соосно соединенные между собой закручивающее входное устройство 1 с одной стороны, соединенное с корпусом 2 вихревой трубы, а с другой стороны - с патрубком отвода нагретой жидкости 3, внутри которого возможна установка гасителя угловой скорости или тормозного устройства 4, причем боковые стенки 5 корпуса 2 вихревой трубы и дно 6 образуют осесимметрично расширяющуюся от входа к дну 6 полость, а на внутренней поверхности боковых стенок 5 выполнены цилиндрические канавки 7. Отверстие, соединяющее входное закручивающее устройство 1 с патрубком отвода жидкости 3, может быть снабжено регулятором проходного сечения 8. Работает гидравлический теплогенератор следующим образом. При подаче жидкости через входное закручивающее устройство 1 ее движение приобретает вихревой характер и к моменту поступления в корпус 2 вихревой трубы скорость жидкости возрастает. Далее жидкость, омывая внутреннюю поверхность корпуса 2, движется по спирали в направлении дна 6. Определенная часть жидкости, заполнив продольные цилиндрические канавки 7, совершает в них также спиралеподобное движение, взаимодействуя с "основным" потоком. Такое взаимодействие вращающихся потоков жидкости существенно интенсифицирует превращение энергии движения этих потоков жидкости в тепло. Приближаясь к дну 6, жидкость нагревается, скорость ее вращения уменьшается, и жидкость вытесняется в среднюю приосевую зону полости корпуса 2, в которой происходит ее движение в обратном направлении, то есть к входному закручивающему устройству 1 и далее через приосевую его зону - в патрубок отвода нагретой жидкости. При этом пограничные с движущейся во встречном направлении жидкостью слои вовлекаются в это движение и совершают повторный цикл движения к дну 6, то есть совершают циркуляцию, чем достигается дополнительный нагрев. Отверстия, соединяющие входное закручивающее устройство 1 с корпусом 2 вихревой трубы, по площади больше отверстия, соединяющего входное устройство патрубком отвода нагретой жидкости 3 в 3 ... 10 раз, чем обеспечивается поступление жидкости в полость корпуса 2 с последующим изменением направления ее движения в процессе нагревания и выход нагретой жидкости в патрубок 3. При этом соотношение площадей выбирается в зависимости от вязкости нагреваемой жидкости и значения температуры, до которой она должна быть разогрета.

Количество цилиндрических канавок 7, их глубина, а также соотношение глубины и диаметра цилиндрических канавок также зависят от вязкости жидкости и технологических возможностей при изготовлении. Поэтому ширина щелевидного отверстия соединяющего собственно цилиндрическую канавку 7 с полостью корпуса 2 может составлять от 0,25 до 1 ее диаметра. С целью подтверждения получения ожидаемого результата изготовлен и испытан опытный образец теплогенератора гидравлического. Испытания показали, что при одинаковой теплопроизводительности темп подогрева воды (при работе по замкнутой схеме: насос - теплогенератор - насос) в предложенном теплогенераторе на 20% выше, чем у прототипа, а габариты и масса меньше соответственно на 30% и 15%.

Предложенный теплогенератор гидравлический может быть изготовлен из распространенных материалов, стойких к жидкости, выбранной в качестве рабочего тела, и достигаемым температурам. В качестве жидкости наиболее вероятно использование воды.

Основными достоинствами предложенного теплогенератора являются - большая эффективность при меньших габаритах и массе, обеспечиваемые новой совокупностью существенных признаков. Таким образом предложенное устройство промышленно применимо, обладает новизной и изобретательским уровнем.

Устройство предназначено для генерирования тепла экологически чистым способом и может быть использовано в любой отрасли для нагрева жидкого теплоносителя, в частности в отопительных системах. Теплогенератор выполнен в виде вихревой трубы, состоящей из закручивающего входного устройства, корпуса и патрубка отвода нагретой жидкости. Для повышения эффективности путем интенсификации процессов преобразования энергии, поступающей в теплогенератор жидкости, в тепло корпус вихревой трубы и патрубок отвода нагретой жидкости установлены по разные стороны входного закручивающего устройства. Внутренняя полость корпуса вихревой трубы представляет собой расширяющийся от горловины, соединенной с входным закручивающим устройством, к дну сосуд, например усеченный конус. При этом стенки полости снабжены продольными канавками цилиндрической формы. Достоинствами теплогенератора являются большая эффективность, меньшие габариты и масса, а также простота конструкции и эксплуатации. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Теплогенератор гидравлический, включающий входное закручивающее устройство, соединенное с корпусом вихревой трубы, патрубок отвода нагретой жидкости, отличающийся тем, что корпус вихревой трубы и патрубок отвода нагретой жидкости установлены по разные стороны входного закручивающего устройства, корпус вихревой трубы выполнен в виде расширяющегося от входа к дну сосуда, внутренняя поверхность которого снабжена по меньшей мере двумя продольными канавками цилиндрической формы, равномерно распределенными по периметру поперечного сечения корпуса вихревой трубы. 2. Теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что полость корпуса вихревой трубы выполнена в виде конуса. 3. Теплогенератор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что угол конусности полости корпуса вихревой трубы составляет от 3 до 15^o. 4. Теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что площадь отверстия, соединяющего входное закручивающее устройство с полостью корпуса вихревой трубы в 2 - 6 раз больше площади отверстия, соединяющего входное закручивающее устройство с патрубком отвода нагретой жидкости. 5. Теплогенератор по пп.1 и 4, отличающийся тем, что отверстие, соединяющее входное закручивающее устройство с патрубком отвода нагретой жидкости, выполнено регулируемым по площади проходного сечения.