ТЕПЛОГЕНЕРАТОР ПРИВОДНОЙ КАВИТАЦИОННЫЙ Российский патент 2003 года по МПК F24J3/00 

Изобретение относится к теплогенераторам кавитационного типа, используемым для систем отопления.

Известен способ получения тепла за счет процесса кавитации, согласно которому жидкость перекачивают насосом по замкнутому циркуляционному каналу через вихревую форсунку, создавая колебания давления в контуре циркуляции, см. патент РФ 2061195, кл. 6 F 24 J 3/00 - аналог.

Устройства, реализующие этот способ, требуют использования технически сложных устройств, а режимы создания колебаний в контуре циркуляции не достаточно четко определены.

Известно также устройство, в котором рабочие органы насоса - лопастные центробежные колеса - на своем выходе взаимодействуют со специальным неподвижным рабочим органом, что приводит к возникновению кавитации и пульсации давления. При этом рабочие органы расположены в общем корпусе, а вход и выход из этих рабочих органов сообщены циркуляционным каналом, снабженным дроссельным элементом, см. патент РФ 2054604, кл. F 24 J 3/00 - прототип.

Данный теплогенератор имеет сложную конструкцию, практически не позволяющую эффективно его выполнять для небольших тепловых мощностей. Установка неподвижного рабочего органа на выходе подвижного рабочего органа приводит к срабатыванию всего напора рабочего колеса на небольшом участке неподвижного рабочего органа, что приводит к повышенному его износу.

Задачей данного изобретения является существенное упрощение конструкции теплогенератора и технологии его изготовления до уровня, обеспечивающего эффективность его применения с приводными двигателями малой и средней мощности, ориентировочно от 1,5 до 15 кВт при одновременном повышении надежности, упрощении условий эксплуатации и ремонта.

Данная задача решается тем, что рабочие органы, по меньшей мере, один из которых связан с приводным двигателем, выполнены в виде оппозитно расположенных дисков, установленных с гарантированным зазором между их рабочими торцами, снабженными прилегающими между собой канавками, выполненными по всей поверхности рабочих торцов. При этом для интенсификации процесса образования и схлопывания кавитационных каверн при движении жидкости вдоль канавок и по щели между дисками от оси к периферии канавки на взаимодействующих рабочих торцах дисков выполнены наклонно друг к другу.

Кроме того, для дополнительной интенсификации процесса энерговыделения в случае выполнения канала между дисками с проходным сечением, увеличивающимся с радиусом, а также для снижения потребления энергии на приведение дисков и обеспечения многоразового процесса образования и схлопывания кавитационных каверн при движении жидкости от оси к периферии дисков, по меньшей мере, в одном из дисков на его торце выполнены сквозные расположенные на одном или нескольких различных радиусах отверстия, сообщающие рабочий канал между дисками с полостью корпуса.

Для этих же целей дросселирующий элемент циркуляционного канала установлен непосредственно на входе и/или выходе междискового рабочего канала и выполнен с переменным проходным сечением по углу поворота подвижного диска, а по периферии дисков на выходе из междискового рабочего канала установлен дополнительный щелевой кавитатор.

Для упрощения теплосистемы в целом, ускорения ее разогрева и обеспечения принудительной циркуляции жидкости во внешних потребителях тепла (например, теплообменниках) посредством тех же дисковых рабочих органов в корпусе в периферийной зоне действия дисков расположены прямой (отводной) и обратный (подводной) каналы, подключенные к теплообменникам. К циркуляционному каналу также может быть подключен, по меньшей мере, один потребитель тепла с регулируемым по температуре дросселем.

Для повышения удельной мощности и разгрузки опор привода от осевых усилий, по меньшей мере, один рабочий орган-диск снабжен канавками с обоих его торцов и расположен между рабочими торцами других двух дисковых рабочих органов.

Для обеспечения запуска и эксплуатации теплогенератора после подключения его к теплосистеме в корпусе теплогенератора со стороны нерабочего торца диска выполнена осесимметричная сепарационная камера, сообщенная с атмосферой для сброса воздуха из системы и снижения насыщенности рабочей жидкости растворенным газом.

Для целей получения потока теплого воздуха корпус теплогенератора может быть снабжен теплообменными ребрами, которые могут быть выполнены как вентиляторные лопатки при кинематической связи корпуса с приводным двигателем.

На фиг. 1 - 7 даны примеры выполнения описываемого устройства и его рабочих органов.

В корпусе 1, см. фиг.1, закреплен неподвижный рабочий орган-диск 2, оппозитно которому установлен вращающийся подвижный рабочий орган-диск 3, расположенный с гарантированным зазором δ от диска 1. По радиусу этот зазор δ может быть постоянным или переменным. На взаимодействующих торцах дисков 1 и 2 выполнены прилегающие друг к другу канавки 5. Валом 6 диск 3 связан с приводным двигателем (не показан).

На подвижном диске 3 выполнены сквозные отверстия 7, расположенные, например, по торцу диска в шахматном порядке и сообщающие канавки 5 с внутренней полостью 8 корпуса 1.

В корпусе 1 в периферийной зоне действия рабочих органов 2 и 3 установлены тангенциально расположенные прямой и обратный каналы-патрубки 9 и 10, сообщенные с внешними теплообменниками 11.

Со стороны нерабочего торца диска 3 в корпусе 1 выполнена осесимметричная сепарационная камера 12, в данном варианте конструкции отделенная от отверстий 7 разделительной перегородкой 13 и сообщенная вертикальным каналом 14 с расширительным бачком 15 системы теплоснабжения.

Примеры выполнения канавок 5 на торце диска представлены на фиг.2. Диски 2 и 3 могут иметь различные формы канавок и их ориентации на рабочем торце или одинаковые и использоваться в теплогенераторе в различных комбинациях.

Наиболее предпочтительны формы ориентации канавок, когда канавки 5 и 5' на взаимодействующих рабочих горцах дисков 2 и 3 выполнены наклонно друг к другу, см. фиг.3, и составляют между собой угол α существенно больший нуля, что обеспечивает создание в торцевом зазоре сети рабочих камер 16, 16', 16''..., расположенных на различных радиусах дисков и ограничиваемых вихревыми жгутами, образующимися на кромках канавок 5 и 5' при их относительном движении.

Вход и выход рабочих органов 2, 3 сообщены посредством циркуляционного канала, в данном случае проходящего через полость 8 (см. фиг.1) корпуса 1, зазор между перегородкой 13 и диском 3. Дросселирующий элемент, выполненный здесь в виде калиброванных отверстий 17 в центральной части диска 3, и полость всасывания 18 рабочих органов.

Работает теплогенератор следующим образом.

После заполнения теплосистемы рабочей жидкостью, например водой, и включении двигателя за счет вращения диска 3 через вал 6 происходит циркуляция воды между периферийным выходом их рабочих органов 2 и 3 и полостью их всасывания 18. Одновременно за счет вращения жидкости в периферийной зоне полости 8 осуществляется циркуляция воды через эту полость, патрубки 9, 10 и теплообменники 11. При этом выделяющийся воздух постепенно сепарируется в камере 12 и выводится вверх в бачок 15.

Дополнительная циркуляция воды в рабочем канале между дисками 2 и 3 осуществляется за счет перетока воды через каналы 7 в диске 3. При относительном движении канавок в поле центробежных сил образуются интенсивные вихри по всем кромкам сети рабочих камер 16. Кавитационные каверны, которые, перемещаясь по рабочему каналу между дисками 2 и 3, периодически попадают в зоны низкого и высокого давления за счет изменения размера самих камер, перемещения вихрей в плоскости дисков через переменные сопротивления ограничивающих их и относительно подвижных кромок канавок 5, 5'. На весь процесс также наложены высокочастотные пульсации давления, возникающие при коллапсе кавитационных каверн, а также за счет пульсаций расхода через каналы 7 и зазор δ между дисками. В результате происходит интенсивное тепловыделение и разогрев рабочей жидкости в теплосистеме. Процесс пуска и остановки вала 6, а также скорость его вращения могут регулироваться по температуре рабочей жидкости в теплосистеме и обогреваемом помещении.

На фиг. 4 представлен вариант выполнения теплогенератора с подвижным диском 3, на обоих торцах которого выполнены рабочие канавки 5 и который расположен между двумя неподвижными дисками 19 и 19', Теплогенератор имеет два нагревательных контура, один из которых каналами 9, 10 сообщен с внешним теплообменником 11, а второй в циркуляционном контуре содержит теплообменник 11' и бойлер (тепловой аккумулятор) 20 (с теплообменником системы горячего водоснабжения с дросселем 21, выполненным регулируемым по температуре в бойлере 20. При этом с понижением температуры сечение дросселя 21 уменьшается, что приводит к снижению давления в полости 18 всасывания, интенсификации процессов кавитации и тепловыделения и, следовательно, к ускорению разогрева бойлера 20.

С повышением температуры и давления насыщенных паров дроссель 21 приоткрывается и повышает давление в полости всасывания 18, одновременно увеличивая расход жидкости в циркуляционном контуре. Подвод тепла к теплообменнику 11 регулируется дросселем 22, например, по температуре в помещении. Для дополнительной интенсификации кавитационных процессов здесь на выходе рабочего междискового канала дисков 19 и 3 последовательно основному дросселирующему элементу 17 циркуляционного канала установлен дополнительный дросселирующий элемент 23, с переменным сечением по углу поворота подвижного диска 3 (например, с рядом окон, расположенных по периферии элемента 23, выполненного в виде цилиндрической гильзы). Такая конструкция при работе теплогенератора обеспечивает переменность давления в сети рабочих камер 16, 16', 16'', ... в различных секторах рабочего междискового канала по углу поворота диска и интенсификации процесса тепловыделения.

На фиг.5 дан пример выполнения теплогенератора, где сепарационная камера 12 выполнена со стороны вала 6, а вал снабжен лабиринтным уплотнением 24 и стояночным уплотнением 25. Вместо лабиринтного уплотнения возможно применение импеллерного уплотнения 26 на разделительной перегородке 13 камеры 12. Отверстия 7 в перегородке 13 улучшают работу импеллера как центробежного сепаратора воздуха. Применение динамических уплотнений по типу 24, 26 в совокупности со стояночным уплотнением обеспечивает автоматическое удаление воздуха из рабочей жидкости при простой конструкции теплогенератора.

В данном варианте исполнения дополнительная интенсификация процесса тепловыделения достигается за счет периодического изменения проходного сечения дросселирующего элемента, выполненного в виде калиброванных отверстий 17 на подвижном диске 3, перекрываемых по углу его поворота торцевой шайбой 27 с проходными окнами. Положение шайбы 27 относительно отверстий 17 может регулироваться вручную или автоматически. Выполнение зазора δ переменным при угле β>0 между торцами дисков способствует интенсификации процесса коллапса кавитационных каверн при наложении пульсаций давления.

На фиг.6 дан пример теплогенератора для нагрева воздуха посредством обдува ребер 28 нагретого корпуса 1 теплогенератора. В показанном варианте корпус 1 выполнен вращающимся и жестко связан с валом 6, а ребра корпуса выполнены как вентиляторные лопатки, обеспечивающие движение нагретого воздуха.

На фиг.7 в корпусе 1 оба рабочих органа - 29 и 30 - выполнены вращающимися в разные стороны, например, посредством двух двигателей 31 и 32, что позволяет в широком диапазоне регулировать теплопроизводительность теплогенератора. При отключении одного из двигателей соответствующий вал затормаживается тормозным устройством 33 или 34, например, выполненным в виде обгонной муфты.

Дополнительные пульсации давления в рабочем междисковом канале здесь достигается периодическим подключением и отключением отверстий 7 к полости 8 корпуса 1 за счет относительного вращения дисков 29 и 30 относительно пазов 35 в торцевых стенках корпуса 1, гидравлически сообщающих камеру 8 с полостью всасывания 18 рабочих органов.

Для ускорения процесса схлопывания кавитационных каверн в рабочем зазоре между дисками на их выходе располагается кольцевой щелевой дополнительный кавитатор, повышающий давление перед выходом рабочей жидкости из рабочего зазора в камерах. 16, см. фиг.3, и интенсифицирующий затухание кавитационных процессов в камере 8, при одновременном снижении в ней рабочего давления.

Описанный теплогенератор имеет простую конструкцию, технологичен, рабочие органы легко и без больших затрат заменяются при обслуживании и ремонте.

Теплогенератор легко приспосабливается для использования в самых различных системах отопления и горячего водоснабжения, автоматически обеспечивает запуск системы, имеет широкие возможности для peгулирования температуры и интенсификации процесса избыточного энерговыделения.

Изобретение относится к теплогенерирующим установкам кавитационного типа и может быть использовано для систем отопления. Теплогенератор приводной кавитационный включает корпус, в котором расположены относительно подвижные рабочие органы, вход и выход которых гидравлически сообщены посредством циркуляционного канала с дросселирующим элементом. Рабочие органы, по меньшей мере, один из которых связан с приводным двигателем, выполнены в виде оппозитно расположенных дисков, установленных с гарантированным зазором между их торцами, снабженными прилегающими между собой канавками, расположенными на взаимодействующих рабочих торцах дисков наклонно друг к другу. Такое выполнение теплогенератора упрощает его конструкцию и обеспечивает эффективность его применения с приводными двигателями малой и средней мощности при одновременном повышении надежности, упрощении условий эксплуатации и ремонта. 7 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Теплогенератор приводной кавитационный, в корпусе которого расположены относительно подвижные рабочие органы, вход и выход которых гидравлически сообщены посредством циркуляционного канала с дросселирующим элементом, отличающийся тем, что рабочие органы, по меньшей мере, один из которых связан с приводным двигателем, выполнены в виде оппозитно расположенных дисков, установленных с гарантированным зазором между их торцами, снабженными прилегающими между собой канавками, расположенными на взаимодействующих рабочих торцах дисков наклонно друг к другу. 2. Теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что дросселирующий элемент циркуляционного канала установлен на входе и/или на выходе междискового рабочего канала и выполнен с переменным сечением по углу поворота подвижных рабочих органов. 3. Теплогенератор по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, в одном из дисков выполнены сквозные, расположенные, по меньшей мере, на одном радиусе, отверстия, сообщающие образованный торцами дисков и канавками рабочий канал с полостью корпуса. 4. Теплогенератор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что на периферии дисков на выходе междискового рабочего канала установлен дополнительный кольцевой щелевой кавитатор. 5. Теплогенератор по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что в корпусе расположены связанные с внешними потребителями тепла прямые и обратные гидравлические каналы, находящиеся под перепадом давления, образованным за счет относительного вращения дисковых рабочих органов. 6. Теплогенератор по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один рабочий орган снабжен канавками с обоих его торцев и расположен между рабочими торцами других двух дисковых рабочих органов. 7. Теплогенератор по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что в корпусе теплогенератора со стороны нерабочего торца диска выполнена осесимметричная сепарационная камера, сообщенная с атмосферой. 8. Теплогенератор по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что корпус теплогенератора снабжен выполненными как вентиляторные лопатки теплообменными ребрами и кинематически связан с приводным двигателем.