Теплогенератор для нагрева жидкой среды Российский патент 2004 года по МПК F24J3/00 F24D3/02 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для нагрева жидкой среды, например воды, в системах водяного отопления, а также для разогрева различных жидких сред.

Известен теплогенератор для нагрева жидкой среды путем превращения механической энергии вращения рабочего колеса сначала в гидравлическую, а затем в тепловую энергию. Нагрев жидкой среды происходит за счет потерь гидравлической энергии на вихреобразование и трение в потоке оборотной жидкой среды (см., например, авторское свидетельство СССР №1703924, МПК F 24 Н 3/02).

Данный теплогенератор имеет низкий КПД и достаточно высокий уровень шума при работе.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является теплогенератор, содержащий насос, подключенный нагнетательной стороной к устройству для ускорения движения жидкой среды, которое на выходе сообщено с улиткой, а последняя подключена к цилиндрической трубе, при этом на выходном участке последней размещено тормозное устройство, выполненное в виде установленного на ребрах полого стакана (см., например, патент Российской Федерации №2132517, МПК 7 F 24 Н 3/02, опубл.27.06.1999).

Данный теплогенератор позволяет более эффективно преобразовывать механическую энергию потока жидкой среды в тепловую энергию для нагрева жидкой среды. Однако эффективность работы данного теплогенератора может быть повышена путем оптимизации его размеров и упрощения конструкции теплогенератора.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности нагрева жидкой среды за счет снижения непроизводительных гидравлических потерь, а также оптимизации конструкции и размеров теплогенератора.

Указанная задача решается за счет того, что теплогенератор содержит насос, подключенный нагнетательной стороной к устройству для ускорения движения жидкой среды, которое на выходе сообщено с улиткой, последняя подключена к цилиндрической трубе, а на выходном участке цилиндрической трубы размещено тормозное устройство, выполненное в виде установленного на ребрах полого стакана, при этом устройство для ускорения движения жидкости выполнено в виде сопла, цилиндрическая труба установлена соосно улитке, а тормозное устройство установлено соосно цилиндрической трубе, причем длина ребер равна высоте стакана, на выходном участке цилиндрической трубы за выходным сечением стакана образован ступенчатый диффузор, диаметр большей ступени которого равен внутреннему диаметру цилиндрической трубы, длина большей ступени диффузора составляет от 0,1 до 2,0 внутренних диаметров цилиндрической трубы, а отношение внутреннего диаметра цилиндрической трубы к наружному диаметру стакана составляет от 1,2 до 1,8.

Кроме того, длина ребер может составлять от 0,7 до 1,6 внутренних диаметров цилиндрической трубы, и ребра могут быть установлены радиально.

В ходе исследований было выявлено, что эффективность работы теплогенератора зависит как от взаимного расположения элементов конструкции теплогенератора, так и от относительных размеров этих элементов конструкции.

Выполнение теплогенератора с соплом, установленным на входе в улитку, позволяете наименьшими гидравлическими потерями преобразовать поток жидкой среды после насоса в скоростной поток, который подают из улитки в цилиндрическую трубу. Другой момент, на который следует обратить серьезное внимание, - это торможение скоростного потока жидкой среды. Для эффективной работы установки важно преобразовать вихревой поток жидкой среды в прямолинейный турбулентный поток. Данная задача решается путем преобразования потока из вихревого в прямолинейный в результате взаимодействия потока жидкой среды с ребрами, образующими совместно со стаканом продольные каналы вдоль внутренней стенки цилиндрической трубы, и эффективного торможения потока в ступенчатом диффузоре на выходе из указанных выше продольных каналов.

Не менее важное значение имеет величина степени расширения канала при торможении потока жидкой среды. Было найдено, что наиболее оптимальный результат достигается при отношении внутреннего диаметра цилиндрической трубы к наружному диаметру стакана, составляющем от 1,2 до 1,8, при этом целесообразно, чтобы длина канала после стакана (длина большей ступени диффузора) составляла величину от 0,1 до 2,0 внутренних диаметров цилиндрической трубы. При выполнении данного канала меньше 0,1 внутреннего диаметра цилиндрической трубы поток не успевает расширить и заполнить поперечное сечение цилиндрической трубы, а выполнение канала более 2,0 внутренних диаметров цилиндрической трубы нецелесообразно, поскольку поток уже полностью перестроился, а увеличение длины канала не оказывает никакого влияния на режим течения жидкой среды. Установка соосно улитки, цилиндрической трубы и стакана, а также выполнение ребер длиной, равной высоте полого стакана, позволяет снизить потери энергии при гидродинамических преобразованиях потока жидкой среды, что дополнительно повышает эффективность работы теплогенератора.

Таким образом, выполнение теплогенератора описанным выше образом позволяет достигнуть выполнения поставленной в изобретении задачи - повышения эффективности нагрева жидкой среды за счет снижения непроизводительных гидравлических потерь, а также оптимизации конструкции и размеров теплогенератора.

На фиг.1 представлен продольный разрез теплогенератора, на фиг.2 - разрез А - А на фиг.1.

Теплогенератор содержит насос 1, подключенный нагнетательной стороной к устройству для ускорения движения жидкой среды, которое на выходе сообщено с улиткой 2, а последняя подключена к цилиндрической трубе 3. На выходном участке цилиндрической трубы 3 размещено тормозное устройство 4, выполненное в виде установленного на ребрах 5 полого стакана 6. Устройство для ускорения движения жидкости выполнено в виде сопла 7. Цилиндрическая труба 3 установлена соосно улитке 2. Тормозное устройство 4 установлено соосно цилиндрической трубе 3. Длина L₁ ребер 5 равна высоте Н стакана 6. На выходном участке цилиндрической трубы 3 за выходным сечением стакана 6 образован ступенчатый диффузор 8, диаметр D₁ большей ступени которого равен внутреннему диаметру D₂ цилиндрической трубы 3. Длина L₂ большей ступени диффузора 8 составляет от 0,1 до 2,0 внутренних диаметров цилиндрической трубы, а отношение внутреннего диаметра D₂ цилиндрической трубы 3 к наружному диаметру D₃ стакана 6 составляет от 1,2 до 1,8.

Предпочтительно, чтобы длина L₁ ребер 5 составляла от 0,7 до 1,6 внутренних диаметров D₂ цилиндрической трубы 3 и чтобы ребра 5 были установлены радиально.

Теплогенератор работает следующим образом. При подаче жидкой среды насосом 1 через сопло 7 в улитку 2 ее движение приобретает вихревой характер. Из улитки 2 вихревой поток поступает в цилиндрическую трубу 3. Далее жидкая среда, омывая внутреннюю поверхность цилиндрической трубы 3, движется по спирали в направлении тормозного устройства 4 и ступенчатого диффузора 8. При спиралевидном движении жидкая среда за счет центробежной силы активно взаимодействует с внутренней поверхностью цилиндрической трубы 3 теплогенератора, что приводит к нагреву жидкой среды и нагреву цилиндрической трубы 3.

Испытания промышленного образца теплогенератора также показали, что для максимального нагрева жидкой среды целесообразно располагать тормозное устройство 4 от входного сечения цилиндрической трубы 3 на расстоянии от 1000 мм до 1200 мм. Дальнейшее увеличение длины цилиндрической части корпуса 2 не приводит к увеличению температуры нагрева жидкой среды. Таким образом, на вход тормозного устройства 4 поступает закрученная жидкая среда с максимальной температурой ее нагрева. В результате торможения потока жидкой среды сначала на ребрах 5 тормозного устройства 4, а затем в ступенчатом диффузоре 8 происходит дальнейший нагрев жидкой среды, которая из диффузора 8 поступает к потребителю тепла, например в тепломагистраль, практически без потери полезного тепла.

В ходе испытания теплогенератора также установили целесообразность выполнения цилиндрической трубы 3 длиной, составляющей от 6 до 13 ее диаметров, а площади поперечного сечения выходного сечения сопла 7, составляющей от 0,75 до 1,1 площади поперечного сечения кольцевого канала, образованного внешней боковой поверхностью стакана 6 и внутренней стенкой цилиндрической трубы 3.

При этом установлено, что целесообразно, чтобы диаметр входного сечения сопла 7 составлял по отношению к мощности насоса 1 величину от 0,8 до 1,0 мм/кВт. Изменение диаметра выходного сечения сопла 7 можно осуществлять с помощью сменных конусных втулок, которые устанавливают в сопле 7.

Испытания показали высокую надежность работы теплогенератора при значительном упрощении его конструкции. При этом габариты и масса уменьшились на 25 и 15% соответственно, КПД увеличился на 3...5%.

Данный теплогенератор может быть использован в качестве автономного источника тепловой энергии в отдаленных районах и местах, где отсутствует централизованное тепло и водоснабжение.

Теплогенератор предназначен для нагрева жидкой среды, например воды, в системах водяного отопления, а также для разогрева жидких сред. Теплогенератор содержит насос, подключенный нагнетательной стороной к устройству для ускорения движения жидкой среды, которое на выходе сообщено с улиткой, последняя подключена к цилиндрической трубе, а на выходном участке цилиндрической трубы размещено тормозное устройство, выполненное в виде установленного на ребрах полого стакана. Устройство для ускорения движения жидкости выполнено в виде сопла. Цилиндрическая труба установлена соосно улитке. Тормозное устройство установлено соосно цилиндрической трубе. Длина ребер равна высоте стакана, на выходном участке цилиндрической трубы за выходным сечением стакана образован ступенчатый диффузор, диаметр большей ступени которого равен внутреннему диаметру цилиндрической трубы. Длина большей ступени диффузора составляет от 0,1 до 2,0 внутренних диаметров цилиндрической трубы, а отношение внутреннего диаметра цилиндрической трубы к наружному диаметру стакана составляет от 1,2 до 1,8. В результате достигается повышение эффективности нагрева жидкой среды за счет снижения непроизводительных гидравлических потерь и оптимизации конструкции размеров теплогенератора. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Теплогенератор, содержащий насос, подключенный нагнетательной стороной к устройству для ускорения движения жидкой среды, которое на выходе сообщено с улиткой, а последняя подключена к цилиндрической трубе, при этом на выходном участке цилиндрической трубы размещено тормозное устройство, выполненное в виде установленного на ребрах полого стакана, отличающийся тем, что устройство для ускорения движения жидкости выполнено в виде сопла, цилиндрическая труба установлена соосно с улиткой, а тормозное устройство установлено соосно с цилиндрической трубой, при этом длина ребер равна высоте стакана, на выходном участке цилиндрической трубы за выходным сечением стакана образован ступенчатый диффузор, диаметр большей ступени которого равен внутреннему диаметру цилиндрической трубы, длина большей ступени диффузора составляет от 0,1 до 2,0 внутренних диаметров цилиндрической трубы, а отношение внутреннего диаметра цилиндрической трубы к наружному диаметру стакана составляет от 1,2 до 1,8.2. Теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что длина ребер составляет от 0,7 до 1,6 внутренних диаметров цилиндрической трубы.3. Теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что ребра установлены радиально.