НАСОС-ТЕПЛОГЕНЕРАТОР Российский патент 2000 года по МПК F24J3/00 F25B30/00 

Изобретение относится к конструкциям насосов-теплогенераторов, которые могут быть использованы преимущественно в автономных замкнутых системах теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, а также для нагрева жидкостей в технологических системах.

Ближайшим технологическим решением является ультразвуковой активатор (патент RU N 2054604 C1 от 20.02.1996), содержащий две или более соединенные последовательно рабочие камеры, в каждой из которых установлены рабочие колеса центробежного насоса, скрепленные на периферии роторами в виде перфорированных колец. Коаксиально роторам в корпусах рабочих камер напротив каждого ротора закреплен статор, выполненный в виде перфорированного кольца. Рабочие камеры сообщены между собой посредством диффузоров. Последняя рабочая камера соединена с первой камерой циркуляционным контуром.

Недостатками известного устройства являются:
большие осевые нагрузки на подшипники;
нетехнологичность сборки, так как требуется поэлементная единовременная сборка ротора, деталей корпуса, статора;
трудность обеспечения взаимной центровки спрягаемых деталей;
сложность обеспечения высокой плотности корпуса устройства при колебаниях давления и температуры.

Задача изобретения - создание более простого устройства, а также интенсификация нагрева жидкости за счет повышения силы гидравлического удара и гидродинамической кавитации.

Поставленная задача достигается тем, что в роторном гидроударном насосе-теплогенераторе, содержащем корпус с патрубками для подвода и отвода жидкости, внутри корпуса концентрично друг другу расположены ротор и статор. В периферийной части ротора выполнены отверстия в виде коноидальных насадков, расширяющиеся части которых расположены к центру ротора. В статоре отверстия выполнены расширяющимися в сторону корпуса и имеющими форму внезапно расширяющегося насадка с переходом в конический расходящийся насадок с углом расширения α =90^o.

Такая форма отверстий статора позволяет устранить эффект Коанда - прилипания пограничного слоя жидкости к прилегающей стенке и в большей степени способствует возникновению гидродинамической кавитации, чем, например, отверстия статора, выполненные в виде конического расходящегося насадка.

Ротор оснащен лопатками, как центробежный насос, предназначенными для сообщения центробежной силы нагреваемой жидкости.

На фиг. 1 изображен продольный разрез насоса-теплогенератора, состоящего из следующих основных деталей:
1 - полый корпус (статор);
2 - кольцо статора с отверстиями;
3 - ротор, выполненный в виде двухпоточного центробежного колеса;
4 - вал ротора;
5 - кольцо ротора с отверстиями;
6 - всасывающие патрубки корпуса насоса-теплогенератора;
На фиг. 2 изображен поперечный разрез насоса-теплогенератора:
7 - патрубок для отвода нагреваемой жидкости;
8 - всасывающие полости ротора.

На фиг. 3 изображено положение колец ротора и статора при совмещении отверстий. В этом положении в зонах II возникает гидродинамическая кавитация.

На фиг. 4 изображено положение колец ротора и статора при несовпадении (перекрытии) отверстий. В этот момент в зонах I ротора возникают гидравлические удары, а в зонах II исчезают кавитационные пузырьки под действием гидростатического давления в нагнетательной полости.

Работает описанный насос-теплогенератор следующим образом.

Нагреваемая жидкость по всасывающему патрубку 6 полого корпуса 1 фиг. 1 поступает во всасывающую полость 8 и, разделившись на два потока, направляется в ротор 3, выполненный в форме двухпоточного рабочего колеса центробежного насоса.

Ротор 3, вращаясь, воздействует лопатками на жидкость, отбрасывая ее к периферийной части и сообщая потоку жидкости кинетическую энергию.

Жидкость, проходя через коноидальные отверстия, разделяется на струи с максимальной удельной кинетической энергией и максимальной скоростью по сравнению с другими формами насадок.

В момент перекрытия отверстий ротора 5 боковыми стенками статора 2 фиг. 4 происходит резкое повышение давления (в зоне I фиг. 4) - прямой гидравлический удар. Так как количество отверстий в роторе и статоре одинаковое, то радиальные направления гидравлических ударов струек равномерно распределены по окружности статора. В момент совмещения отверстий ротора и статора происходит резкое снижение давления и часть энергии жидкости переходит в тепловую энергию, которую можно определить по формуле:
V • ΔP = V • ν • C • m • Δt ,
где V - объем жидкости, протекающей через насадок в см³;
ΔP - потеря (перепад) давления в насадке в кг/см²;
ν - объемный вес жидкости в кг/см³;
C - удельная теплоемкость жидкости в ккал/(кг•град);
m - механический эквивалент тепла в кг•см³/ккал;
Δt = t-t₀ - повышение температуры жидкости;
t и t₀ - искомая и начальная температуры жидкости в ^oC.

В соответствии с приведенной формулой

Для воды ν = 0.001 кг/см³;
C = 1 ккал/кг • град;
m = 42700 кг•см/ккал.

В момент совмещения отверстий ротора 5 и статора 6 жидкость, получившая высокую кинетическую энергию, попадает в расходящиеся отверстия статора, где происходит резкое повышение давления и падение скорости жидкости, а из-за внезапного расширения отверстий в статоре и из-за большого угла расширения стенок отверстий - фиг. 3 - происходит отрыв струи жидкости от стенок. В зоне II фиг. 3 происходит резкое понижение давления ниже давления водяных паров, жидкость вскипает, возникает гидродинамическая кавитация. В момент следующего перекрытия отверстий ротора стенками статора в отверстиях статора, в зонах II, давление повышается, и кавитационные пузырьки "схлопываются", вызывая местные гидравлические микроудары, сопровождающиеся высокими забросами давления до 1500-2000 кг/см² и температуры 1000-1500^oC.

Колебания гидравлической системы, вызванные гидравлическими ударами и гидродинамической кавитацией, налагаясь, способствуют возникновению режима автоколебаний. С момента установления режима автоколебаний скорость нагрева жидкости резко возрастает.

Жидкость, нагретая в результате выделения энергии, вытесняется к выпускному патрубку 7 фиг. 2 и направляется в систему теплопотребления.

Указанный насос-теплогенератор можно применять для отопления и горячего водоснабжения коттеджей, сельских, гражданских и промышленных объектов, а также для нагрева жидкостей в технологических процессах.

Использование предлагаемого насоса-теплогенератора позволяет обеспечить горячей водой и тепловой энергией объекты, удаленные от магистральных трубопроводов, а окружающая среда не загрязняется продуктами сгорания топлива в местах выработки тепловой энергии.

Список использованной литературы
1. Т.М. Башта. Машиностроительная гидравлика. - М.: Машиностроение, 1971 г., стр. 44-49, 118, 349, 375, 379-381, 509-512.

2. Л. М. Курганов, Н.Ф. Федоров. Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации. - Ленинград: Стройиздат, 1973 г., стр. 56-67, 185-194.

3. Л.И. Богомолов, К.А. Михайлов. Гидравлика. - М.: Стройиздат, 1972 г., стр. 87-92, 142-150, 398-405.

Изобретение относится к конструкциям насосов-теплогенераторов, которые могут быть использованы в автономных замкнутых системах теплоснабжения и нагрева жидкости в технологических системах без сгорания органического топлива. Роторный насос-теплогенератор содержит полый корпус со всасывающим патрубком для подвода нагреваемой жидкости и нагнетательным патрубком для отвода нагретой жидкости. Внутри расположены ротор в виде центробежного колеса с отверстиями по периферии и статор с отверстиями. Статор установлен коаксиально ротору. Центробежное колесо выполнено двухпоточным. Отверстия ротора - в виде коноидальных насадков, сужающихся в сторону статора. Отверстия статора выполнены в виде внезапно расширяющихся насадков с переходом в конические расходящиеся насадки с углом расширения α=90°. Такая форма отверстий статора позволяет устранить эффект Коанда (прилипания) пограничного слоя жидкости к прилегающей стенке и увеличить зоны гидродинамической кавитации. Изобретение направлено на создание более простого устройства, а также интенсификацию нагрева жидкости за счет повышения силы гидравлического удара и гидродинамической кавитации. 4 ил.

Роторный насос-теплогенератор, содержащий полый корпус со всасывающим патрубком для подвода нагреваемой жидкости и нагнетательным патрубком для отвода нагретой жидкости и расположенные внутри корпуса ротор в виде центробежного колеса с отверстиями по периферии и статор с отверстиями, установленный коаксиально ротору, отличающийся тем, что центробежное колесо выполнено двухпоточным, отверстия в роторе - в виде коноидальных насадок, сужающихся в сторону статора, а отверстия последнего - в виде внезапно расширяющихся насадков с переходом в конические расходящиеся насадки с углом расширения α = 90^o.