КАВИТАЦИОННЫЙ ЭНЕРГОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК F24J3/00 

Изобретение относится к энергопреобразователям, например, используемым для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения. Известны, например, энергопреобразователи, преобразующие электрическую энергию посредством теневого электронагревателя в тепловую энергию потока протекающей жидкости, преимущественно воды, например, типа "Галан" (аналог). Эти устройства достаточно просты, но для эффективной работы требуют циркуляционного насоса и надежно работающей автоматики, поскольку при аварийном прекращении течения воды возможно перегорание тенов или резкое повышение давления в системе, могущее привести к аварийному разрушению электронагревательной установки.

Известны также способы и устройства нагрева воды (или другой жидкости) за счет создания в потоке жидкости кавитационных процессов, см., например, тепловые котлы типа "Юсмар" или устройство, описанное в патенте RU 2054604 С1, F 24 J 3/00, G 21 В 1/00, опубл. 20.02.96 г.

Устройство по указанному патенту осуществляет преобразование энергии, подводимой к валу рабочего лопастного колеса в тепловую энергию перекачиваемой колесом жидкости, и является наиболее близким к заявленному устройству по технической сущности, т.е. может быть принято за прототип.

В прототипе в корпусе устройства расположены рабочие лопастные колеса, число которых может быть равно и единице. На выходе рабочего колеса на его гидравлическом выходе установлен расположенный вокруг рабочего колеса вихреобразующий элемент и гидравлический канал входа в рециркуляционный дросселирующий канал, сообщающий выход рабочего колеса с его входом, причем полости этого энергопреобразователя с разной величиной давления сообщены с теплообменным контуром отбора тепла. Вихреобразующий элемент здесь выполнен в виде перфорации в обруче, перекрывающем выходное сечение ротора (рабочего колеса) и статоре - перфорированном кольцевом корпусном обруче. При этом при вращении колеса на его выходе возникают интенсивные вихри и пульсации давления, вызывающие выделения тепла в процессе кавитационных явлений в вихрях.

Устройство по прототипу не может быть надежным из-за кавитационного разрушения перфорационных элементов и в ряде случаев не достаточно эффективно из-за больших гидравлических потерь в рабочих органах и дросселирующих каналах Кроме того здесь при вращении вала рабочего колеса электродвигателем преобразование электрической энергии в тепловую требует создания сложной многоступенчатой конструкции, поскольку вся электрическая энергия вначале преобразуется в механическую энергию на валу ротора, затем в гидравлическую механическую энергию потока жидкости посредством рабочих лопастных колес, а затем на вихреобразующих элементах (износ которых практически пропорционален энергии протекающего потока) в тепловую энергию, нагревающую рабочую жидкость. При этом также около 20% подводимой электрической энергии теряется непосредственно на электродвигателе, поскольку тепло, выделяемое самим электродвигателем, практически не удается использовать на нагрев воды без существенного усложнения конструкции данного энергопреобразователя.

В этой связи целями описываемого ниже технического решения являются:
- упрощение конструкции;
- снижение кавитационного износа рабочих органов;
- снижение затрат механической энергии, непосредственно подводимой к рабочему колесу, а следовательно, и снижение потерь на электродвигателе, не идущих на нагрев жидкости;
- обеспечение возможности многовариантного управления процессом энергопреобразования и расширение функциональных возможностей энергопреобразователя;
- получение возможности широкого изменения потока преобразуемой энергии на базе рабочих органов с небольшой мощностью электродвигателя;
- снижение виброактивности устройства из-за возможности снижения механической приводной мощности.

Достижение поставленных целей достигается тем, что:
1. В кавитационном энергопреобразователе, состоящем из по меньшей мере одного расположенного в корпусе лопастного рабочего колеса, на выходе которого установлен расположенный вокруг рабочего колеса вихреобразующий элемент и вход в рециркуляционный дросселирующий канал, сообщающий выход рабочего колеса с его входом, а полости энергопреобразователя с разной величиной давления сообщены с теплообменным контуром отбора тепла, на периферии рабочего колеса установлен по меньшей мере один диск, поверхность которого, обращенная к оппозитно расположенной корпусной поверхности, образует совместно с ней проходной щелевой кольцевой канал переменного сечения, выходящий тангенциально в вихреобразующий элемент, выполненный в виде закручивающего в поперечной плоскости выходящий из щелевого канала поток жидкости, торообразного вихреобразующего корпусного канала, сообщенного по меньшей мере с одним рециркуляционным каналом.

2. Для обеспечения непосредственного преобразования электрической энергии в тепловую и расширения функциональных возможностей и диапазона регулирования преобразуемой энергии по меньшей мере один вихреобразующий канал энергопреобразователя выполнен из немагнитного материала и расположен между полюсами магнита.

3. С этой целью, а также для расширения функциональных свойств энергопреобразователя к его вихреобразующему каналу подключены электроды, в том числе изолированные от корпуса, сообщенные с внешними клеммами для подключения к электрической цепи.

4. Для дополнительного энерговыделения в объеме энергопреобразователя при различных вариантах подвода энергии рециркуляционный канал выполнен в виде дополнительного вихреобразующего канала; проходной щелевой кольцевой канал энергопреобразователя в своем поперечном сечении выполнен в виде канала Вентури, выход из которого расположен по ходу течения жидкости за установленным в вихреобразующем канале кольцевым выступом - отражателем; рециркуляционный канал выполнен в виде ряда диффузорно-конфузорных каналов, расположенных в по меньшей мере одной торцевой стенке корпуса между облегающим рабочее колесо торообразным вихреобразующим каналом и входом в рабочее колесо в вихреобразующем канале по его длине установлена по меньшей мере одна местная сужающая его проходное сечение, тормозящая поток жидкости и генерирующая в нем высокочастотные колебания давления перемычка.

5. Для обеспечения управления энергопреобразования в широких пределах и различных эксплуатационных условиях проходное сечение рециркуляционного канала энергопреобразователя выполнено переменным по меньшей мере по одному рабочему параметру энергопреобразователя и/или по углу поворота рабочего колеса.

Примеры выполнения описываемого кавитационного энергопреобразователя, раскрывающие возможности его технического выполнения, представлены на фиг. 1-7.

На фиг. 1 кавитационный энергопреобразователь состоит из одного лопастного колеса 1, вал 2 которого механически связан с приводным двигателем 3, например электродвигателем. Вокруг рабочего колеса на его периферии установлен диск 4, поверхность 5 которого, обращенная к оппозитно расположенной корпусной поверхности 6, образует совместно с ней проходной щелевой кольцевой канал 7 переменного сечения, выходящий тангенциально в вихреобразующий элемент, выполненный в корпусе в виде торообразного вихреобразующего канала 8, закручивающего в поперечной плоскости выходящий из щелевого канала поток жидкости и образующий в средней части канала 8 вихревой кольцевой жгут, содержащий ионизированные пары жидкости. Канал 8 также гидравлически сообщен рециркуляционным дросселирующим каналом 9 с входной полостью 10 рабочего колеса 1. Канал 9 может выполняться с постоянно заданным проходным сечением (если параметры работы энергопреобразователя заданы и постоянны), см. фиг.1. под осью вала 2, или с переменным входным сечением, например, за счет углового поворота торцевой крышки 11 относительно выходных каналов 12 вихреобразующего канала 8 (см. фиг.1 над осью вала 2). Рециркуляционный канал 9 здесь выполнен в виде торцевого направляющего аппарата и содержит несколько проходных каналов, сообщающих выход из рабочего колеса 1 с его входом 10.

Канал 7 имеет переменное по радиусу сечение и может иметь различную форму, но для активизации кавитационных процессов этот канал рационально выполнять в виде канала Вентури в его поперечном сечении, а в канале 8 дополнительно выполнять кольцевой выступ-отражатель 13, отклоняющий вихревой поток в канале 8 от выхода из щелевого сопла 7 и снижающий на его выходе давление жидкости, что способствует интенсификации кавитационных процессов в целом.

Форма отражателя 13 и его размер определяется по максимуму тепловыделения.

Для обеспечения циркуляции нагретой жидкости через радиатор 14 (например, тепловой воздушной пушки) канал 8 в зоне повышенного давления каналом сообщен со входом в радиатор 14, гидравлический выход которого сообщен каналом 15 с зоной пониженного давления энергопреобразователя, в данном примере реализации - с всасывающей полостью 10 рабочего колеса 1.

Каналы 12 могут быть выполнены так, что они закручивают поток жидкости в проходных каналах 9, объединяющих их рециркуляционные каналы. Кроме того, каналы 9 для повышения тепловыделения рационально выполнять диффузионно-конфузионными по ходу движения жидкости, что обеспечивает общее повышение тепловыделения в рабочем объеме энергопреобразователя.

При вращении вала 2 поток жидкости, заполняющей внутренние полости энергопреобразователя, получает энергию за счет действия лопастного рабочего колеса 1 и проходит в щелевой канал 6, на выходе которого происходит образование кавитационных каверн. Эти каверны смыкаются, попадая в поток вращающейся и перемешивающейся вдоль канала 8 жидкости, за счет повышенного давления наиболее высокого вблизи корпусной поверхности канала 8. В результате смыкание кавитационных каверн происходит в жидкости, а не на твердых поверхностях устройства, что защищает его от разрушения. Поскольку поверхность 5 диска 4 вращается относительно корпусной поверхности 6, то не происходит засорения узкого щелевого канала 7. При этом также за счет вращения поверхности 5 увеличивается абсолютная скорость течения жидкости в щелевом зазоре, что способствует дополнительному снижению давления на выходном участке щелевого канала 7. Дополнительная интенсификация кавитационных процессов может быть также достигнута за счет выполнения на поверхностях 5 и 6 перекрывающихся друг относительно друга канавок 16 и 17, см. фиг.2, генерирующих высокочастотные колебания в потоке протекающей жидкости и тем самым увеличивающих тепловыделение в объеме энергопреобразователя.

Для этих же целей в торообразном вихреобразующем канале 8 по его длине могут быть установлены местные сужающие его проходное сечение и тормозящие поток жидкости перемычки 18, см. фиг.3, 4, 5, 6, которые могут содержать дополнительные элементы (каналы, проходные отверстия, глухие отверстия, прорези и т.п.), обеспечивающие генерирование в потоке высокочастотных ультразвуковых колебаний при прохождении или обтекании их потоком жидкости, винтообразно движущимся вдоль вихреобразующего канала 8. Кроме того, активизация кавитационных процессов возможна и в рециркуляционных каналах 9 за счет изменения их входного или/и выходного сечения по углу поворота рабочего колеса. Эта возможность реализуется за счет вращения вместе с колесом перфорированных втулок 19 или 19* и 20, см. фиг.3, перепады давления на которых существенно меньше, чем в прототипе, что резко снижает их износ.

Для повышения удельного энерговыделения в объеме энергопреобразователя при одновременном повышении надежности устройства (за счет разгрузки рабочего колеса от осевых усилий) рационально симметричное сдвоенное выполнение рабочего колеса и вихреобразующего канала 8 относительно плоскости, перпендикулярной оси вала 2, см. фиг.4 и 5, где использовано сдвоенное рабочее колесо 1' с двумя симметрично расположенными щелевыми кольцевыми каналами 7 и 7'.

На фиг. 7 приведен вариант выполнения энергопреобразователя, где вихреобразующий торообразный канал 8 расположен в корпусе преимущественно с торца рабочего колеса 1, что снижает диаметральные габариты энергопреобразователя. Здесь также показана дополнительная возможность выполнения рециркуляционного дросселирующего канала в виде диффузорно-конфузорного входного патрубка 21, выходная часть которого для повышения давления на входе в колесо выполнена диффузорной и снабженной лопатками 22 для раскрутки потока и уменьшения циркуляции потока на входе в колесо 1 для повышения его напора. Для регулирования расхода по этому рециркуляционному каналу на его входе установлен установочно-подвижный по оси патрубок 21, затвор 23, а подвод жидкости из канала 8 к затвору осуществлен через тангенциально установленное сопло 24. Циркуляция нагретой жидкости через теплообменники 14 и 14' выполнена регулируемой дросселем 25, а перепад давления на теплообменниках увеличен за счет подключения канала 15 к зоне низкого давления, образуемого между затвором 23 и корпусом патрубка 21
Для интенсификации вихревого движения жидкости в канале 8 на покрывном диске рабочего колеса 1 могут быть выполнены дополнительные лопатки 26.

Часть потока жидкости на вход 10 колеса 1 из канала 8 может попадать через шунтирующую часть рециркуляционного канала, выполненную как направляющий аппарат 26 (вариант выполнению снизу оси колеса 1) для защиты лопаток колеса 1 от кавитационного разрушения. Аппарат 26 частично выполняет также функцию дополнительного рециркуляционного канала 9*.

Выше были описаны технические возможности повышения тепловыделения за счет кавитационных явлений в потоке жидкости в предложенном энергопреобразователе. Поскольку в описываемом энергопреобразователе в вихреобразующих каналах организовано движение жидкости с возникновением центральных по каналу вихревых жгутов, обычно содержащих ионизированные пары жидкости, то эти каналы являются проводниками электрического тока с малым электрическим сопротивлением, что позволяет обеспечить дополнительное тепловыделение в объеме описываемого устройства за счет непосредственного подведения к потоку жидкости электрической или электромагнитной энергии, см. примеры выполнения на фиг.1, 3, 6, 7, что позволяет существенно снизить энергию, подводимую к потоку в виде механической энергии, передаваемой по валу 2 рабочего колеса 1.

Эта задача решена тем, что по меньшей мере один вихреобразующий канал 8 или 9 выполнен из немагнитного материала и расположен между полюсами постоянного или электрического магнита 27 (см. фиг.1, 3, 6, 7), который в зависимости от выполнения энергопреобразователя может выполняться как постоянный или переменный магнит. На фиг.6 и 7 магниты соответственно 27 и 27' могут и отсутствовать, когда подвод электроэнергии к жидкости для дополнительного выделения тепла осуществляется через клеммы 28 электродами 28' внешней электрической цепи, расположенными с торцев вихревых ионизированных жгутов, образованных соответственно в каналах 8, см. фиг.6, и 9, см. фиг.7.

В варианте выполнения по фиг.1 корпус канала 8 выполнен из немагнитного, но электропроводящего материала в виде двух частей, изолированных друг от друга прокладкой 29. При этом при наличии магнитного поля между полюсами магнитов 27 и 27' за счет движения ионизированного вихревого жгута вдоль канала 8 между изолированными корпусными частями или установленными в корпусе электродами начинает, пересекая поток жидкости, проходить электрический ток, дополнительно разогревающий жидкость в канале 8, что и позволяет снизить мощность, подводимую к валу 2 рабочего колеса. Возможен и электрогенераторный режим работы устройства, что расширяет функциональные возможности энергопреобразователя.

Важно, что выделяемое тепло легко может регулироваться источником тока 30, например, по датчику температуры 31, см. фиг.6, или, например, посредством управления электромагнитом 27, дросселем 32 или изменением электрического сопротивления электрической цепи между клеммами 28.

На фиг. 7 для целей получения дополнительных возможностей энергопреобразования, а также, например, и повышения давления на входе 10 колеса 1 (что снижает возможность его кавитационного разрушения), в корпусе патрубка 21 в канал 9 дополнительно введены связанные с клеммами 28'' электроды 33, позволяющие патрубку 21 функционировать в режиме электромагнитного насоса (или электрогенератора).

С аналогичной целью по торцам выполненного из немагнитного материала корпуса энергопреобразователя расположены полюса электромагнита 27 переменного тока, см. фиг.7, что позволяет выделять тепловую энергию в жидкость за счет протекания электрического тока в вихревом кольцевом (замкнутом) ионизированном жгуте, образующимся по оси торообразного канала 8.

Естественно, что возможен и электрогенераторный (обратный) режим работы устройства, расширяющий его функциональные возможности, например рациональный, при приведении вала 2 от неэлектрического двигателя 3.

Описываемый энергопреобразователь обладает высокой надежностью, поскольку его основные рабочие органы защищены от разрушающего воздействия кавитации; достаточно конструктивно прост; допускает различные варианты исполнения, рациональные в различных условиях применения; позволяет легко управлять процессом теплогенерирования при пониженной мощности приводного двигателя и процессом энергопреобразования в целом по рабочим параметрам устройства и внешних подключенных систем, имеет расширенные функциональные свойства, позволяющие применять энергопреобразователь для решения разнообразных практических задач.

Изобретение относится к энергетике и может использоваться для получения тепловой энергии посредством организации в жидкости кавитационных, а также электрических и электромагнитных процессов, позволяющих подводимую энергию преобразовывать в тепловую энергию при минимизации затрат механической энергии. Сущность изобретения в том, что в кавитационном преобразователе на периферии рабочего колеса установлен по меньшей мере один диск, поверхность которого, обращенная к оппозитно расположенной корпусной поверхности, образует совместно с ней проходной щелевой кольцевой канал переменного сечения, выходящий тангенциально в вихреобразующий элемент, выполненный в виде закручивающего поперечной плоскости выходящий из щелевого канала поток жидкости, тообразного вихреобразующего корпусного канала, сообщенного по меньшей мере с одним рециркуляционным каналом. Такое выполнение позволяет снизить кавитационный износ рабочих органов. 6 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Кавитационный энергопреобразователь, состоящий из по меньшей мере одного расположенного в корпусе лопастного рабочего колеса, на выходе которого установлен расположенный вокруг рабочего колеса вихреобразующий элемент и вход в рециркуляционный дросселирующий канал, сообщающий выход рабочего колеса с его входом, причем полости энергопреобразователя с разной величиной давления сообщены с теплообменным контуром отбора тепла, отличающийся тем, что на периферии рабочего колеса установлен по меньшей мере один диск, поверхность которого, обращенная к оппозитно расположенной корпусной поверхности, образует совместно с ней проходной щелевой кольцевой канал переменного сечения, выходящий тангенциально в вихреобразующий элемент, выполненный в виде закручивающего в поперечной плоскости выходящий из щелевого канала поток жидкости торообразного вихреобразующего корпусного канала, сообщенного по меньшей мере с одним рециркуляционным каналом.2. Кавитационный энергопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один вихреобразующий канал выполнен из немагнитного материала и расположен между полюсами магнита.3. Кавитационный энергопреобразователь по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что к вихреобразующему каналу подключены электроды, сообщенные с внешними клеммами для подключения внешней электрической цепи.4. Кавитационный энергопреобразователь по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что проходной щелевой кольцевой канал в своем поперечном сечении выполнен в виде канала Вентури, выход из которого расположен по ходу течения жидкости за установленным в вихреобразующем канале кольцевым выступом-отражателем, а рециркуляционный канал выполнен в виде ряда диффузорно-конфузорных каналов, расположенных в по меньшей мере одной торцевой стенке корпуса между облегающим рабочее колесо торообразным вихреобразующим каналом и входом в рабочее колесо.5. Кавитационный энергопреобразователь по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в вихреобразующем канале по его длине установлена по меньшей мере одна местная сужающая его проходное сечение, тормозящая поток жидкости и генерирующая в нем высокочастотные колебания давления перемычка.6. Кавитационный энергопреобразователь по п.5, отличающийся тем, что рециркуляционный канал выполнен в виде дополнительного вихреобразующего канала.7. Кавитационный энергопреобразователь по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что проходное сечение рециркуляционного канала выполнено переменным по меньшей мере по одному рабочему параметру энергопреобразователя и/или по углу поворота рабочего колеса.