ТЕРМОГЕНЕРАТОР Российский патент 2001 года по МПК F25B9/04 F25B9/02 F25B29/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах теплоснабжения различных сфер народного хозяйства (промышленность, сельское хозяйство, оборонные, транспортные и бытовые объекты). В частности, изобретение относится к устройствам нагрева рабочих жидкостей в системах теплоснабжения и разогрева различных объектов для обеспечения их работоспособности в широком диапазоне температур окружающего воздуха.

Предшествующий уровень техники.

Известны устройства, в которых путем изменения давления и скорости рабочей среды генерируется тепловая энергия, позволяющая снизить затраты электроэнергии для получения тепла.

Например, известен тепловой насос (а.с. СССР N 458691, F 25 29/00, приоритет 12.12.72, опубликовано 30.01.75), 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.

Недостатком аналога является очень высокое рабочее давление, развиваемое в корпусе, до 1000 атм, что опасно для отопления жилых помещений. Рабочие параметры установки предъявляют повышенные требования к прочности корпусных деталей, запорных вентилей и трубопроводов, что увеличивает себестоимость установки.

Известна вихревая система отопления (патент РФ N 2089795, F 25 B 29/00, приоритет 29.12.93, опубликовано 10.09.97), которая содержит теплообменный резервуар с герметичной крышкой и герметичными патрубками для наполнения и вывода жидкой нагреваемой среды.

Внутри резервуара установлена вихревая труба в виде тарельчатой камеры с тангенциальным сопловым вводом, осевым выходом и плоским развихрителем. К сопловому вводу присоединен рабочий орган насоса, соединенного общим валом с ротором безколлекторного электродвигателя, установленного выше уровня жидкой среды. На входе насоса и выходе вихревой трубы установлен эжектор. Рабочий орган насоса при включении электродвигателя всасывает циркулирующую жидкость и нагнетает ее через сопловой ввод в камеру вихревой трубы.

После нагрева циркулирующей жидкости до заданной температуры открывается внешний клапан и жидкость выпускается в линию внешнего теплообмена.

Общими признаками заявляемого устройства и аналога является наличие теплообменного резервуара с патрубками ввода и вывода жидкой нагреваемой среды. Внутри резервуара установлена вихревая камера с тангенциальным сопловым вводом и осевым выводом. Устройство - аналог отличается компактностью, пожаробезопасностью благодаря деаэрации с последующим заполнением резервуара инертным газом и коррозионной устойчивостью.

Недостатками аналога являются достаточно большие энергетические затраты, использование в качестве жидкой нагревательной среды сложного дорогостоящего состава на основе эмульсионной смеси керосина, смазочного (турбинного) масла и спирта.

В качестве прототипа выбран теплогенератор и устройство для нагрева жидкостей (патент РФ N 2045715, F 25 B 29/00, приоритет 26.04.93, опубликован 10.10.95), содержащий корпус с цилиндрической частью, ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, торцевая сторона которого соединена с цилиндрической частью корпуса, в основании которой, противолежащей циклону, смонтировано тормозное устройство, за которым 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 и соосно последнему. Ускоритель движения жидкости (циклон) сообщен с насосом посредством инжекционного патрубка, соединенного с боковой стороной ускорителя движения жидкости (циклона). Инжекционный патрубок обеспечивает тангенциальное поступление рабочей жидкости в устройство.

Тормозное устройство выполнено, по меньшей мере, из двух радиально расположенных ребер, закрепленных на центральной втулке. В перепускном патрубке ниже зоны его соединения с циклоном установлено дополнительное тормозное устройство.

Отношение диаметра цилиндрической части корпуса и выходного отверстия инжекционного патрубка равно или больше 2. Выходное отверстие инжекционного патрубка выполнено по форме параллелограмма или прямоугольника.

Общими признаками заявленного устройства и прототипа является наличие цилиндрического корпуса со входом на одном конце и тормозным устройством в виде радиально расположенных ребер и выходом на другом конце, а также тангенциального инжекционного патрубка, выходное отверстие которого выполнено по форме параллелограмма.

Положительным в прототипе является то, что его можно использовать в существующих котельных для водяного отопления взамен теплогенераторов, работающих на твердом, жидком и газообразном топливе. Устройство позволяет улучшить экологию окружающей среды.

Недостатком прототипа является потери тепла в перепускном патрубке и гидродинамические потери из-за малого диаметра и большой длины перепускного патрубка, что снижает теплопроизводительность в целом. Другим недостатком является достаточно большие энергетические затраты, а также сложность конструкции, например конструкция циклона сложна в изготовлении.

Сущность изобретения.

Технической задачей, решаемой заявляемым устройством, является получение максимальной теплопроизводительности путем интенсификации теплообмена, уменьшения энергетических затрат и упрощение конструкции.

Задача решена тем, что в термогенераторе, содержащем цилиндрический корпус с тангенциальным сопловым вводом, выполненным по форме параллелограмма, с выходом на одном конце и тормозным устройством и вторым выходом на другом конце, согласно изобретению предусмотрено следующее: термогенератор снабжен цилиндрической теплообменной обоймой, в которую помещен корпус, на цилиндрической поверхности обоймы расположено герметизированное отверстие для тангенциального соплового ввода и выходной патрубок. Тангенциальный сопловой ввод снабжен средством для придания вращательного движения жидкости в виде не менее 4^х изогнутых пластин, расположенных диаметрально противоположно и жестко соединенных с внутренней поверхностью трубопровода на заданном расстоянии от входа.

Теплообменная обойма может быть снабжена двумя дополнительными патрубками: инжекционным патрубком, удлиненный конец которого помещен в полость первого выходного патрубка, расположенного внизу обоймы, и вторым выходным патрубком вверху обоймы.

Тангенциальный сопловой ввод установлен под углом 10 - 15^o относительно перпендикуляра к оси цилиндрического корпуса.

Тормозное устройство, установленное в цилиндрическом корпусе, выполнено, по меньшей мере, из двух радиально расположенных лопастей с закрепленной на них полой втулкой (см. патент 2042089, кл. F 25 B 9/02, 1995, автор Курносов Н. Е. ) Второй выход цилиндрического корпуса выполнен в виде конической диафрагмы, соединенной с тормозным устройством, и образует выходную сужающуюся воронку.

Отношение внутреннего диаметра цилиндрического корпуса и диаметра входного отверстия тангенциального соплового ввода равно 2,5-3.

Диаметр выходного отверстия конической диафрагмы равен или больше диаметра входного отверстия тангенциального соплового ввода.

Первый выходной патрубок теплообменной обоймы может быть установлен со стороны соплового ввода на расстоянии от торца не более 1/3 длины обоймы.

Новые отличительные признаки: цилиндрическая теплообменная обойма с выходным патрубком для циркулирующей жидкости и герметизированным отверстием для тангенциального соплового ввода, трубопровод которого предназначен для подключения к нагнетающему насосу.

Выходной патрубок и герметизированное отверстие расположены на цилиндрической поверхности теплообменной обоймы. Теплообменная обойма необходима для охлаждения цилиндрического корпуса, установленного внутри нее. Скорость нагрева рабочей жидкости увеличивается за счет создания двух потоков, один из которых движется внутри цилиндрического корпуса, а второй внутри теплообменной обоймы, омывая корпус. Внешняя поверхность корпуса охлаждается, что способствует интенсификации теплообмена и уменьшению энергетических затрат. Кроме того, в теплообменной обойме происходит накопление подогретой циркулирующей жидкости до нужной температуры перед подачей жидкости в отопительную сеть.

Наличие теплообменной обоймы упрощает конструкцию термогенератора, так как позволяет обходиться без перепускного патрубка.

Новые конструктивные отличия имеет цилиндрический корпус, в котором происходят процессы, присущие вихревой трубе.

Установка тангенциального соплового ввода цилиндрического корпуса под углом 10 - 15^o относительно перпендикуляра к оси корпуса необходима для создания вихревого направления поступающей в корпус жидкости, убыстрения вращения потока. Средство для придания вращательного движения жидкости, выполненное в виде не менее четырех изогнутых пластин, расположенных диаметрально противоположно, жестко соединенных с внутренней поверхностью трубопровода и установленных на заданном расстоянии от входа, способствует созданию первоначального завихрения рабочей жидкости. Входное отверстие тангенциального соплового ввода, выполненное по форме параллелограмма, способствует осевому закручиванию потока поступающей жидкости.

Перечисленные конструктивные отличия позволяют снизить энергетические затраты и использовать нагнетающий насос, работающий на меньших давлениях по сравнению с прототипом.

Кроме того, упрощается конструкция заявляемого устройства за счет отказа от циклона и перепускного патрубка.

Соотношение размеров внутреннего диаметра корпуса и выходного отверстия конической диафрагмы относительно входного отверстия тангенциального соплового ввода необходимо для обеспечения перепада давления, что способствует возрастанию температуры в результате изменения механической энергии жидкости в соответствие с законами термодинамики.

Внутренний диаметр цилиндрического корпуса в 2,5 - 3 раза больше диаметра входного отверстия тангенциального соплового ввода, что способствует резкому изменению давления жидкости, а затем и ее нагреву. Диаметр выходного отверстия конической диафрагмы равен или больше диаметра входного отверстия тангенциального соплового ввода, что необходимо для равномерного удаления рабочей жидкости из цилиндрического корпуса в теплообменную обойму.

Тормозное устройство выполнено в виде радиально расположенных лопастей с закрепленной на них полой втулкой. Полая втулка разделяет циркулирующий поток, который затем рассекается лопастями. Кинетическая энергия потока превращается в потенциальную энергию давления.

Перепады давления на входе в корпус, а также после прохода через радиально расположенные лопасти тормозного устройства и поступления в сужающуюся воронку, а затем на выход из конической диафрагмы способствует увеличению температуры нагрева циркулирующей жидкости, которая поступает в теплообменную обойму, а затем через выходной патрубок в систему отопления. Другой выход цилиндрического корпуса выполнен в виде выходной диафрагмы с небольшим диаметром отверстия. При заполнении объема корпуса часть жидкости поступает в теплообменную обойму через выходную диафрагму.

Расположение выходного патрубка от торца на расстоянии не более 1/3 длины обоймы позволяет накопить рабочую жидкость в теплообменной обойме и заполнить ее объем. Теплообменная обойма может быть снабжена двумя дополнительными патрубками - инжекционным патрубком внизу обоймы и вторым выходным патрубком вверху. Это необходимо для создания дополнительной циркуляции рабочей жидкости. Выполнение инжекционного патрубка с удлиненным концом, который помещен в полость первого выходного патрубка, способствует созданию перепада давления на выходе из инжекционного патрубка за счет сужения прохода. Происходящий подсос сокращает энергетические затраты. Кроме того, дополнительный циркуляционный круг позволяет ускорить процесс теплообмена.

Перечисленные конструктивные отличия и соотношения размеров диаметров входов и выходов позволяют решить поставленную техническую задачу - уменьшить энергетические затраты путем интенсификации теплообмена, получить максимальную теплопроизводительность установки, а также упростить конструкцию по сравнению с прототипом.

Совокупность отличительных признаков заявляемого устройства не обнаружена по патентной и научно-технической информации.

Предлагаемое изобретение поясняется описанием конкретного примера его выполнения и чертежами, где на фиг. 1 изображено устройство термогенератора в разрезе; на фиг. 2 - разрез трубопровода тангенциального соплового ввода с изогнутыми пластинами; на фиг. 3 - вариант выполнения термогенератора с дополнительными патрубками.

На чертежах обозначено следующее.

1. Цилиндрический корпус
2. Выход (выходная диафрагма)
3. Тормозное устройство
4. Второй выход (коническая диафрагма)
5. Тангенциальный сопловой ввод
6. Входное отверстие соплового ввода
7. Теплообменная обойма
8. Выходной патрубок
9. Средство для придания вращательного движения (изогнутые пластины)
10. Второй выходной патрубок
11. Инжекционный патрубок
Термогенератор содержит цилиндрический корпус 1 с выходом 2 в виде выходной диафрагмы на одном конце, тормозным устройством 3 и вторым выходом 4 - конической диафрагмой - на другом конце.

Для подачи циркулирующей рабочей жидкости корпус 1 снабжен тангенциальным сопловым вводом 5 с входным отверстием 6 в виде параллелограмма, что способствует осевому закручиванию потока. Тангенциальный сопловой ввод 5 установлен по касательной к внутреннему диаметру корпуса 1 под углом 10 - 15^o относительно перпендикуляра к оси корпуса для создания вихревого направления поступающей в корпус жидкости, а также убыстрение вращения потока. Корпус 1 помещен в цилиндрическую теплообменную обойму 7, на цилиндрической поверхности которой расположено герметизированное отверстие для тангенциального соплового ввода 5 и выходной патрубок 8 для удаления циркулирующей рабочей жидкости. Внутренний диаметр корпуса в 2,5 - 3 раза больше диаметра входного отверстия 6 тангенциального соплового ввода, а диаметр выходного отверстия конической диафрагмы 4 равен или больше диаметра входного отверстия тангенциального соплового ввода. Это необходимо для создания перепада давления и изменения скорости циркулирующей рабочей жидкости, что приводит к ее нагреву, а также для равномерного вывода жидкости из корпуса 1.

Тормозное устройство 3 содержит радиально расположенные лопасти с закрепленной на них полой втулкой. Тормозное устройство способствует изменению направления движения жидкости и превращению кинетической энергии движения в потенциальную энергию давления, что приводит к нагреву жидкости.

Выходной патрубок 8 может быть расположен на теплообменной обойме 7 на расстоянии от торца не более 1/3 длины обоймы, что необходимо для заполнения объема циркулирующей жидкостью.

Тангенциальный сопловой ввод 5 может быть снабжен средством 9 для придания вращательного движения протекающей по трубопроводу жидкости и выполнено в виде не менее четырех изогнутых пластин, расположенных диаметрально противоположно, жестко соединенных с внутренней поверхностью трубопровода на заданном расстоянии от входа.

Теплообменная обойма 7 может быть выполнена в другом варианте. Она дополнительно снабжена двумя патрубками: вторым выходным патрубком 10, расположенным вверху обоймы, и инжекционным патрубком 11 внизу обоймы.

Инжекционный патрубок 11 выполнен с удлиненным концом, который помещен в полость первого выходного патрубка 8, расположенного в новом варианте выполнения внизу теплообменной обоймы.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Рабочая жидкость - вода под давлением, создаваемым насосом, протекает по трубопроводу, где она получает, проходя через изогнутые пластины 9, первоначальное вихревое движение. Далее через тангенциальный сопловой ввод 5 по касательной к внутреннему диаметру и с наклоном 10 - 15^o к перпендикуляру к оси корпуса рабочая жидкость поступает в цилиндрический корпус 1, где она приобретает дополнительный вращательный, вихревой характер. Скорость жидкости возрастает, так как диаметр корпуса 1 в 2,5 - 3 раза больше диаметра входного отверстия 6 тангенциального соплового ввода 5. Изменение скорости движения жидкости приводит к ее нагреву. Совершая вращательное движение, жидкость перемещается к тормозному устройству 3, где она разделяется полой втулкой, а радиально расположенными лопастями рассекается на несколько различных потоков. Изменение направления движения, а также скорости и давления рабочей жидкости приводит к возрастанию ее температуры. Пройдя вдоль лопастей тормоза, рабочая жидкость поступает в сужающуюся воронку перед конической диафрагмой 4 и уходит через ее выходное отверстие. Здесь опять происходит изменение скорости и давления жидкости, что приводит к дальнейшему повышению температуры нагрева согласно законам термодинамики. Через коническую диафрагму 4 и выходную диафрагму 2 рабочая жидкость попадает в накопительную теплообменную обойму 7. Создаются два движущихся навстречу друг другу потока жидкости, что повышает скорость нагрева. Один поток жидкости - внутри цилиндрического корпуса 1 и второй - в теплообменной обойме 7, обеспечивает эффект стабильного тепловыделения, взаимно дополняя друг друга. Через выходной патрубок 8 рабочая жидкость из теплообменной обоймы 7 подается на всасывающий патрубок насоса.

Работа термогенератора в другом варианте выполнения осуществляется следующим образом.

Из второго выходного патрубка 10, расположенного вверху теплообменной обоймы 7, рабочая жидкость поступает в дополнительный контур и возвращается через инжекционный патрубок 11 в первый выходной патрубок 8, расположенный внизу обоймы 7, к насосу. За счет углубления инжекционного патрубка 11 в первый выходной патрубок 8 на дополнительном контуре создается перепад давления между патрубками 10 и 11, что позволяет осуществить циркуляцию жидкости по контуру, не встраивая дополнительный циркуляционный насос. Это позволяет сэкономить энергозатраты.

Проведенные испытания показали, что заявляемое устройство отличается простотой конструкции, высокой надежностью и эффективностью работы.

Изготовлен опытный работающий образец заявляемого термогенератора. В системе использован электронасос марки КМ 50-65-160.

Промышленная применимость.

Термогенератор можно использовать для отопления и горячего водоснабжения отдельно стоящих жилых зданий, складских, производственных и иных помещений, а также локальных площадей внутри зданий и сооружений.

Термогенератор отличается экономичностью, автономностью, высокой теплопроизводительностью и надежностью в эксплуатации. Использование данной конструкции приводит к улучшению экологии окружающей среды.

Изобретение относится к системам отопления зданий и сооружений, транспортных средств, подогрева воды. Термогенератор содержит цилиндрический корпус с тангенциальным сопловым вводом, выходом на одном конце и тормозным устройством и вторым выходом на другом конце. Корпус помещен в цилиндрическую теплообменную обойму, на поверхности которой расположены герметизированное отверстие для тангенциального соплового ввода и выходной патрубок. Тангенциальный сопловой ввод снабжен средством для придания вращательного движения жидкости, установленным на заданном расстоянии внутри трубопровода. Теплообменная обойма может быть снабжена двумя дополнительными патрубками - инжекционным патрубком, удлиненный конец которого помещен в полость первого выходного патрубка, расположенного внизу обоймы, и вторым выходным патрубком вверху обоймы. Использование изобретения позволит получить максимальную теплопроизводительность путем интенсификации теплообмена, уменьшить энергетические затраты, упростить конструкцию. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Термогенератор, содержащий цилиндрический корпус с тангенциальным сопловым вводом по форме параллелограмма с выходом на одном конце и тормозным устройством и вторым выходом на другом конце, отличающийся тем, что он снабжен цилиндрической теплообменной обоймой, в которую помещен корпус, и средством для придания вращательного движения жидкости в виде изогнутых пластин, жестко соединенных с внутренней поверхностью трубопровода, установленным в тангенциальном сопловом вводе на заданном расстоянии от входа, при этом на цилиндрической поверхности обоймы размещены герметизированное отверстие для тангенциального соплового ввода и выходной патрубок. 2. Термогенератор по п.1, отличающийся тем, что средство для придания вращательного движения жидкости выполнено в виде не менее четырех пластин, расположенных диаметрально противоположно. 3. Термогенератор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что теплообменная обойма снабжена двумя дополнительными патрубками - инжекционным патрубком, удлиненный конец которого помещен в полость первого выходного патрубка, расположенного внизу обоймы, и вторым выходным патрубком вверху обоймы. 4. Термогенератор по пп.1-3, отличающийся тем, что тангенциальный сопловой ввод установлен под углом 10-15^o относительно перпендикуляра к оси цилиндрического корпуса. 5. Термогенератор по пп.1-3, отличающийся тем, что второй выход цилиндрического корпуса выполнен в виде конической диафрагмы, соединенной с тормозным устройством, и образует выходную сужающуюся воронку. 6. Термогенератор по пп.1-3, отличающийся тем, что отношение внутреннего диаметра цилиндрического корпуса и диаметра входного отверстия тангенциального соплового ввода равно 2,5-3. 7. Термогенератор по п.5, отличающийся тем, что диаметр выходного отверстия конической диаграммы равен или больше диаметра входного отверстия тангенциального соплового ввода. 8. Термогенератор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что выходной патрубок установлен со стороны соплового ввода на расстоянии от торца не более 1/3 длины обоймы.