РОТОРНЫЙ ГИДРОУДАРНЫЙ НАСОС-ТЕПЛОГЕНЕРАТОР Российский патент 2003 года по МПК F24J3/00 

Изобретение относится к конструкциям насосов-теплогенераторов, которые могут быть использованы в автономных замкнутых системах теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, а также для горячего водоснабжения и нагрева жидкостей в технологических системах
Ближайшим технологическим решением является роторный насос-теплогенератор (патент RU 2159901), содержащий полый корпус с всасывающим патрубком для подвода нагреваемой жидкости. Внутри корпуса расположен ротор в виде двухпоточного центробежного колеса с отверстиями по периферии. Концентрично ротору расположен статор с отверстиями. Отверстия в роторе выполнены в виде круглоцилиндрических насадков Вентури, а отверстия в статоре - в виде внезапно расширяющихся насадков.

Недостатками известного устройства является то, что жидкость недостаточно нагревается за один проход через насос-теплогенератор. Для повышения температуры жидкости требуется ее многократное прокачивание через насос-теплогенератор.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства, проходя через которое, обрабатываемая жидкость многократно подвергается факторам воздействия на нее, результатом чего является интенсивный нагрев жидкости за один проход через гидроударный насос-теплогенератор.

Поставленная задача решается тем, что в роторном гидроударном насосе-теплогенераторе, имеющем полный корпус со всасывающим патрубком для подвода нагреваемой жидкости и нагнетательным патрубком для отвода нагретой жидкости, и расположенные внутри корпуса концентрично друг другу ротор и статор, образующие между собой канал, связанный с отверстиями, выполненными в виде сужающихся сопел, в кольцевом канале со стороны ротора и статора установлены перфорированные углубления, внутри которых размещены упругие полые шары, и кольца с выполненными в них отверстиями в виде сужающихся сопел, обращенных внутрь кольцевого канала, а основания патрубков подвода нагреваемой жидкости и отвода расположены в кольцевом канале.

На фиг 1 изображен разрез роторного гидроударного насоса-теплогенератора, состоящего из следующих основных деталей: 1 - полый корпус; 2 - патрубок для подвода нагреваемой жидкости; 3- патрубок для отвода нагреваемой жидкости; 4 - кольцо статора с отверстиями; 5 - ротор насоса-теплогенератора; 6 - приводной вал; 7 - кольцо ротора с отверстиями; 8 - уплотнительная прокладка статора; 9 - уплотнительная прокладка ротора.

На фиг.2 изображен узел I при движении гидропоршня из отверстия ротора в отверстие статора
На фиг.3 изображен узел I при движении гидропоршня из отверстия статора в отверстие ротора.

На фиг.4 изображен график зависимости величины коэффициента полноты удара ϕ_y от угла расширения β сопел ротора и статора, из которого видно, что наивыгоднейший угол расширения находится в пределах 6-8^o. При этих углах потери напора при движении в соплах минимальны. Ниже графика изображена схема соплового отверстия.

Работает описанный роторный гидроударный насос-теплогенератор следующим образом.

При вращении вала 6 (фиг.1) нагреваемая жидкость по всасывающему патрубку 2 полого корпуса 1 поступает к кольцу ротора 7, жидкость заполняет отверстия ротора 7 и кольцевой канал между кольцом ротора 7, закрепленным на роторе 5, и кольцом статора, а затем и отверстия в кольце статора.

Под действием центробежной силы жидкость, находящаяся в сопловом отверстии ротора, выбрасывается в кольцевой канал между кольцами ротора и статора, а при совмещении отверстий устремляется в сопловое отверстие статора. При движении жидкости по сопловому отверстию статора происходит деформация полого шара 15 под действием гидравлического удара 11 (фиг.2). Для предотвращения растекания жидкости в момент гидравлического удара отверстие 10 корпуса 1 и отверстия статора уплотнены прокладкой 8, а отверстия ротора аналогично уплотнены прокладкой 9.

Жидкость, выброшенная из сопла ротора под действием кинетической энергии, образует в сопле ротора гидравлический поршень 12 с образованием зоны разряжения 13. В замкнутом объеме зоны 13, происходит под действием пониженного давления, насыщение жидкости ее парами и образование кавитационных пузырьков.

При смещении отверстия ротора к следующему отверстию статора (фиг.3) происходит выброс жидкости из соплового отверстия статора, под действием энергии полого шара 15, который, принимая первоначальную форму, сообщает жидкости кинетическую энергию. Так как в отверстии ротора было разрежение, то жидкость из соплового отверстия статора устремляется в отверстия ротора. Резкое повышение давления в зоне гидравлического удара 14 заставляет конденсироваться пары жидкости и кавитационных пузырьков, а кинетическая энергия жидкости деформирует полый шар 16 в отверстии ротора.

При заполнении жидкостью вакуумных зон 13 ротора и статора в момент конденсации паров жидкости происходит их резкое уменьшение в объеме. Известно, что объем конденсата в 400-1500 раз меньше объема пара, равновеликого ему по массе.

Давления, возникающие в результате конденсации парогазовых и кавитационных пузырьков, можно определить по формулам:
1. Смыкание газовых и парогазовых пузырьков:
,
где R³ ₀ - радиус начального значения газового пузырька, мм;
R³ - конечное значение газового пузырька, мм;
Р₀ - гидростатическое давление в жидкости, кг/см²;
Р - давление, возникающее в центре конденсации кавитационного пузырька, кг/см².

Для примера: при и P₀ = 1 кг/см² получаем Р=1260 кг/см².

2. Давления, возникающие при конденсации паровых кавитационных пузырьков, определяются по формуле:

где β - сжимаемость жидкости, кг/см² (для воды β=50 • 10^-6 кг/см²).

При тех же значениях P₀=1 кг/см² и получим Р=10300 кг/см².

При P₀=10 кг/см² и получим Р=498800 кг/см².

Все вышеназванные значения давлений имеют место при конденсации шароподобных кавитационных пузырьков. В движущейся жидкости, а тем более при конденсации пузырьков в условиях гидравлического удара происходит деформация их поверхности и изменение формы.

При конденсации деформированных кавитационных пузырьков возникают кумулятивные струйки, давления в которых могут превышать давления от конденсации идеальных пузырьков до десятка раз. Учитывая изменения объемов пара при конденсации (400-1500) и значения
,
R₀ можно предполагать, что давления Р могут быть значительно большими, чем при

Локальные повышения температуры в нагреваемой жидкости от перепадов давлений, возникающих от гидравлических ударов и конденсации кавитационных пузырьков, можно определить по формуле:

где V - объем жидкости, см³;
ΔР - перепад давлений, кг/см²;
V - объемный вес жидкости, кг/см³;
С - удельная теплоемкость жидкости, ккал/кг•^oС;
m - механический эквивалент тепла, кг•см³/ккал;
Δt - повышение температуры жидкости, ^oС.

Для воды: V-0,001 кг/см³;
С - 1,0 ккал/кг•^oС;
m - 42700 кг см³/ккал;
при Р₀ = 10 кг/см² перепад давлений ΔР составит
ΔР=498800 - 10=498790 кг/см².

В этом случае Δt=0,0234 ΔР=0,0234 • 498790=11671,69^oС.

Подобные процессы парообразования и конденсации, гидравлических ударов и кавитации происходят в соплах ротора и статора многократно с повышением давления от всасывающего патрубка 2 к патрубку 3. Нагретая жидкость по нагнетательному патрубку направляется по назначению.

В целях уменьшения потерь на трение в соплах, а следовательно, снижения напора и предотвращения отрыва струи от стенок сопел угол их расширения должен быть в пределах 6-8^o.

Регулируя расход протекающей жидкости, давление на входе в насос-теплогенератор, а также число оборотов ротора можно установить энергоэкономный режим нагрева жидкости.

Уровень металлообработки на современных машиностроительных предприятиях позволяет осуществить изготовление роторных гидроударных насосов-теплогенераторов на базе серийно выпускаемых песковых, грунтовых и других насосов, имеющих значительный радиус рабочего колеса и его высоту
Указанный насос-теплогенератор можно применять для отопления и горячего водоснабжения объектов, удаленных от объектов энергоснабжения, а также для нагрева технологических жидкостей.

Подобные источники теплоснабжения необходимы в зонах, требующих сохранения чистоты окружающей среды и максимальной безопасности в местах ее выработки (больницы, дома отдыха и т.д.)
Список литературы:
1. В. В. Майер "Кумулятивный эффект в простых опытах". М., 1989 г., с. 44-47, 92-97, 174-177.

2. Л. Бергман "Ультразвук и его применение в науке и технике". Пер. с нем. под ред. B. C. Григорьева. М., "Иностранная литература", 1957 г., с. 504-505.

3. Т.М. Башта "Машиностроительная гидравлика". М., Машиностроение, 1971 г., с. 44-49, 118, 509-512.

4. Р.Р. Чугаев "Гидравлика". М., Энергия,, Ленинградское отд., 1971 г., с. 14-17, 28-33, 64-74, 135-140, 163-167, 276-286, 307-314, 426-436.

5. П.Н. Каменев, А.Н. Сканави, В. Н. Богословский и др. "Отопление и вентиляция". М., Стройиздат, 1975 г., ч. I, с. 294-295.

6. Патент России RU 2159901 Петраков АД., Санников С.Т. Яковлев О.П. "Роторный насос -теплогенератор"к

Изобретение относится к конструкциям насосов-теплогенераторов, которые могут быть использованы в автономных замкнутых системах теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, а также для горячего водоснабжения и нагрева жидкостей в технологических системах. Сущность изобретения в том, что в роторном насосе-теплогенераторе, имеющем полый корпус со всасывающим и нагнетательным патрубками и расположенные внутри корпуса концентрично друг другу ротор и статор, образующие между собой канал, связанный с отверстиями, выполненными в виде сужающихся сопел, в кольцевом канале со стороны ротора и статора установлены перфорированные углубления, внутри которых размещены упругие полые шары, и кольца с выполненными в них отверстиями в виде сужающихся сопел, обращенных внутрь кольцевого канала, а основания патрубков подвода нагреваемой жидкости и отвода расположены в кольцевом канале. Такая конструкция насоса-теплогенератора позволяет установить энергоэкономный режим нагрева жидкости. 4 ил.

Роторный гидроударный насос-теплогенератор, имеющий полый корпус со всасывающим патрубком для подвода нагреваемой жидкости и нагнетательным патрубком для отвода нагретой жидкости, расположенные внутри корпуса концентрично друг другу ротор и статор, образующие между собой кольцевой канал, связанный с отверстиями, выполненными в виде сужающихся сопел, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности нагрева жидкости, в кольцевом канале со стороны ротора и статора установлены перфорированные углубления, внутри которых размещены упругие полые шары, и кольца с выполненными в них отверстиями в виде сужающихся сопел, обращенных внутрь кольцевого канала, а основания патрубков подвода нагреваемой жидкости и ее отвода расположены в кольцевом канале.