СПОСОБ НАГРЕВА ПОТОКА ЖИДКОСТИ Российский патент 2004 года по МПК F24J3/00 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для нагрева жидкости в системах отопления зданий и сооружений, транспортных средств, подогрева различных технологических жидкостей, в том числе и пожароопасных.

Известен способ нагрева потока жидкости, по которому поток поступающей, например, от насоса жидкости дросселируют (Башта Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. М.: Машиностроение, 1972, с.226-227). В этом случае часть энергии потока превращается в теплоту, причем чем больше сопротивление дросселя и соответственно давление перед ним, тем больше выделяется тепла.

Недостаток способа - высокое рабочее давление жидкости при реализации способа и низкая эффективность нагрева жидкости.

Более эффективно нагрев потока жидкости осуществляется по способу, в котором поток поступающей жидкости ускоряют, закручивают в цилиндрическом канале, а затем производят его торможение (см., например, патент РФ № 2045715, опубл. 10.10.95). Нагрев жидкости производится при более низком давлении, что повышает безопасность процесса, и со значительной экономией энергии.

Недостаток этого способа - высокий уровень шума и вибраций.

Для устранения указанного недостатка общий поток жидкости разделяют на несколько потоков, каждый из этих потоков ускоряют и закручивают в цилиндрическом канале, затем производят торможение потоков и объединение их в общий поток (см., например, патент РФ № 2132517, опубл. 27.06.99). Вследствие разделения общего потока на несколько параллельных потоков снижается общий уровень шума и вибраций. Данный способ наиболее близок к предлагаемому и принят за прототип.

Недостатками данного способа являются низкая эффективность генерации тепла при торможении закрученного потока и низкая эффективность торможения этого потока. Низкая эффективность торможения потока приводит, в частности, к тому, что теплогенераторы, реализующие способ, имеют большие габариты.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности торможения закрученного потока жидкости и генерации тепла.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе, включающем разделение общего потока на несколько потоков, ускорение каждого из этих потоков и закрутку в цилиндрическом канале, торможение потоков и объединение в общий поток, производят закрутку двух потоков соосно, при этом направление закрутки выбирают противоположным и производят соударение этих двух потоков, а параметры потоков выбирают из условия равенства нулю суммарного момента вращения. Это позволяет существенно повысить эффективность торможения потока и тепловыделения, т.к. интенсивность микровихрей, определяющих торможение и тепловыделение в потоке, пропорциональна квадрату относительной скорости потоков и существенно выше именно при соударении закрученных навстречу друг другу соосных потоков, чем при соударении потока с неподвижной преградой в тормозном устройстве. Реализация способа позволяет практически в два раза увеличить относительную скорость потоков при торможении, при этом потери энергии на торможение и нагрев увеличиваются до 4 раз. Более эффективное торможение потока позволяет уменьшить габариты тормозного устройства и общие габариты теплогенератора, реализующего способ.

Соосные закрученные потоки при реализации способа могут быть организованы как в виде встречных потоков, так и в виде коаксиальных потоков, движущихся в одну сторону.

Способ поясняется фиг.1-6, где схематично изображены теплогенераторы, реализующие способ.

На фиг.1 показан общий вид теплогенератора с подачей встречных закрученных потоков, а на фиг.2 и фиг.3 - сечения, поясняющие конструкцию этого теплогенератора. На фиг.4 показан общий вид теплогенератора с подачей коаксиальных закрученных потоков, движущихся в одну сторону, а на фиг.5 и фиг.6 - сечения, поясняющие конструкцию этого теплогенератора.

Теплогенератор с подачей встречных закрученных потоков (фиг.1) содержит цилиндрические патрубки 1 и 2, соединенные с сужающимися насадками 3 и 4, выполненными, например, коническими. Насадки 3 и 4 соединены соответственно с устройствами для закрутки потоков 5 и 6, снабженными улитками 7 (фиг.2) и 8 (фиг.3), выполненными, например, по спирали Архимеда. Улитки 7 и 8 размещены в теплогенераторе соосно друг другу и цилиндрическим каналам 9 и 10, но направлены навстречу друг другу. Выходы цилиндрических каналов 9 и 10 объединены тормозной камерой 11, имеющей выходной патрубок 12, при этом выходной патрубок 12 с помощью перепускных патрубков 13 и 14 соединен с отверстиями 15 и 16 в устройствах для закрутки потоков 5 и 6, выполненными соосно с цилиндрическими каналами 9 и 10.

Способ осуществляется следующим образом.

Поток жидкости, нагнетаемой, например, насосом (на схеме не показан) разделяют на два потока и подают под давлением в цилиндрические патрубки 1 и 2. Поступившая в патрубок 1 жидкость ускоряется при прохождении конического насадка 3 и канала улитки 7 и приобретает на выходе из устройства для закрутки потока 5 винтовое движение относительно оси цилиндрического канала 9. Жидкость, поступившая в патрубок 2, аналогично приобретает винтовое движение относительно оси цилиндрического канала 10, но с противоположным направлением закрутки. Соударение этих двух соосных и в противоположные стороны закрученных потоков производится на выходе из цилиндрических каналов 9 и 10 в тормозной камере 11. Если геометрические параметры левой и правой частей этого теплогенератора одинаковы, то для соблюдения условия равенства нулю суммарного момента вращения потоков при соударении достаточно в патрубки 1 и 2 подавать жидкость с равными расходами. Повышению надежности и эффективности работы теплогенератора способствуют перепускные патрубки 13 и 14.

Теплогенератор с коаксиальными закрученными потоками, движущимися в одну сторону (фиг.4), содержит цилиндрические патрубки 17 и 18, соединенные посредством сужающихся насадок 19 и 20 с соответствующими устройствами для закрутки потока 21 и 22, снабженными улитками 23 (фиг.5) и 24 (фиг.6), выполненными, например, по спирали Архимеда. Улитки 23 и 24 размещены в теплогенераторе соосно друг другу и цилиндрическим каналам 25 и 26, при этом улитка 23 предназначена для создания винтового потока жидкости в цилиндрическом канале 25, а улитка 24 - в цилиндрическом канале 26, имеющем большой диаметр и охватывающем канал 25. Тормозная камера 27 ограничена стенками цилиндрического канала 26, выходом цилиндрического канала 25 и крышкой 28 с выходным патрубком 29. Выходной патрубок 29 с помощью перепускного патрубка 30 связан с отверстием 31 по оси устройства для закрутки потока 21 и через камеру 32 и зазор 33 с устройством для закрутки потока 22.

Данный теплогенератор также реализует предложенный способ нагрева жидкости. Для осуществления способа поток нагнетаемой, например, насосом (на схеме не показан) жидкости разделяют на два потока и подают под давлением в цилиндрические патрубки 17 и 18. Поступившая в патрубок 17 жидкость ускоряется при прохождении насадка 19 и канала улитки 23 и приобретает на выходе из устройства для закрутки потока 21 винтовое движение относительно оси цилиндрического канала 25. Жидкость, поступившая в патрубок 18 после прохождения патрубка 20 и канала улитки 24, также приобретает винтовое движение относительно оси цилиндрического канала 26, но с противоположным направлением закрутки. Соударение этих двух соосных и коаксиальных потоков с противоположным направлением закрутки производится в тормозной камере 27. Повышению надежности и эффективности работы теплогенератора способствует перепускной патрубок 30, позволяющий вернуть часть жидкости с выхода теплогенератора в приосевые слои потоков жидкости в устройствах для закрутки потоков 21 и 22. Параметры потоков жидкости, подаваемых в патрубки 17 и 18, выбирают из условия равенства нулю суммарного момента вращения потоков после соударения потоков в камере 27. Параметры потоков можно подобрать опытным путем методом визуализации потока на выходе из тормозной камеры 27 или расчетным путем по известным зависимостям. В частности, приближенно параметры потоков можно подобрать по следующей зависимости:

Vвх₁R₁S₁=Vвх₂R₂S₂,

где Vвх₁ и Vвх₂ - скорость жидкости во входном патрубке первого и второго потока (в частности, в патрубке 17 и 18);

S₁ и S₂ - сечения потока во входных патрубках;

R₁ и R₂ - среднее значение плеча закручивания потоков.

Способ может быть реализован с помощью теплогенераторов и других конструкций, в частности, представляющих комбинацию двух описанных видов.

Изменение параметров потока жидкости при осуществлении способа, а именно при ускорении потока, закрутке в цилиндрическом канале и, наконец, торможении потока приводит к нагреву потока жидкости. Достигаемое при реализации предложенного способа соударение двух закрученных в противоположные стороны и соосных потоков позволяет существенно повысить эффективность торможения потоков и тепловыделения, т.к. при высоких степенях закрутки относительная скорость потоков увеличивается практически в два раза.

Пример.

Для проверки эффективности предложенного способа нагрева применяли теплогенератор с подачей встречных закрученных потоков (фиг.1), выполненный из оргстекла и имеющий разъем по тормозной камере. Для сравнения к той же системе с насосом подключают два параллельных теплогенератора, представляющих собой левую и правую часть теплогенератора с подачей встречных закрученных потоков, размонтированного по разъему, выходы частей которого оборудованы тормозными камерами с тормозными пластинами аналогично прототипу.

Визуальные наблюдения показывают, что при соударении закрученного потока с пластиной тормозной камеры происходит образование несплошностей и кавитационных каверн на поверхности пластины и камеры, что со временем приводит к их кавитационному разрушению. В теплогенераторе, реализующем предложенный способ, каверна образуется между слоями жидкости, что защищает конструкцию от разрушения, при этом торможение потоков осуществляется интенсивно, и тормозная камера имеет меньшие объемы. Сравнительные измерения скорости нагрева воды в одной и той же гидравлической системе и подачей одного и того же расхода воды показали, что скорость нагрева воды в теплогенераторе, реализующем предложенный способ, на 10... 15% выше чем у прототипа.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в жилищно-коммунальной отрасли, сельском хозяйстве и транспорте, для отопления зданий, подогрева воды. Для преобразования движения жидкости в тепло производят закрутку двух соосных потоков жидкости, при этом направление закрутки выбирают противоположным и производят соударение этих потоков, а параметры потоков выбирают из условия равенства нулю суммарного момента вращения. При соударении потоков относительные скорости струй жидкости увеличиваются практически в 2 раза, что приводит к более интенсивному выделению тепла. Более интенсивное выделение тепла при реализации данного способа позволяет уменьшить габариты теплогенераторов и давление в системах, повысить эффективность нагрева. 6 ил.

Способ нагрева потока жидкости, включающий разделение общего потока на несколько потоков, ускорение каждого из этих потоков, закрутку в цилиндрическом канале, торможение потоков и объединение их в общий поток, отличающийся тем, что закрутку двух потоков производят соосно, при этом направление закрутки выбирают противоположным и производят соударение этих двух потоков, при этом параметры потоков выбирают из условия равенства нулю суммарного момента вращения.