ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК F24J3/00 

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к устройствам для нагрева жидкости, и может быть использовано в системах отопления зданий и сооружений, транспортных средств, подогрева воды для производственных и бытовых нужд, сушки и пастеризации сельскохозяйственных продуктов. Кроме того, устройство может быть использовано для подогрева непосредственно в трубопроводе вязких жидкостей типа нефти с целью снижения вязкости жидкости и улучшения ее реологических свойств. Гидродинамический нагреватель является источником тепловой энергии, получаемой за счет происходящих в системе жидкость - установка физических процессов, возникающих при вращательном и поступательном движении теплоносителя и кавитационных процессов в системе под воздействием внешних сил.

Электронасосным агрегатом обеспечиваются давление и расход теплоносителя, который при движении внутри предлагаемой конструкции гидродинамического нагревателя разогревается до заданной температуры.

Уровень техники

Известны устройства тепловых насосов, использующих изменение физико-механических параметров среды, в частности давления и объема, для получения тепла.

В известных устройствах в качестве среды может быть использована, например, паровоздушная смесь или жидкость. В этих устройствах путем изменения давления и скорости среды генерируется тепловая энергия, позволяющая снизить затраты электроэнергии для получения тепла.

Так известен тепловой насос, выполняющий функцию теплогенератора, рабочей средой которого является вода, содержащий корпус в виде герметичного сферического сосуда, наполненного рабочей средой с расположенным в нем теплообменником, сетевой насос, обеспечивающий сжатие среды внутри корпуса, подающие и обратные магистрали, транспортирующие тепло к потребителю, оснащенные запорными вентилями (а.с. СССР №458591, F 25 В 29/00, 1972).

Основным недостатком описанного теплового насоса является очень высокое рабочее давление в корпусе, которое достигает 1000 атм. Такие рабочие параметры установки предъявляют повышенные требования к прочности корпусных деталей, запорных вентилей и трубопроводов, что приводит к увеличению себестоимости установки.

Кроме того, использование такой установки для отопления жилых помещений опасно ввиду высокого рабочего давления.

Другим известным устройством является тепловой генератор, описанный в патенте РФ (RU) 2045715, кл. F 25 D 29/00, 10.11.95.

Согласно этому патенту в теплогенераторе, имеющем корпус с цилиндрической частью, установлен ускоритель движения жидкости, выполненный в виде "циклона", торцевая сторона которого соединена с цилиндрической частью корпуса. В основании цилиндрической части, противолежащей циклону, смонтировано тормозное устройство. За тормозным устройством в цилиндрической части корпуса установлено дно с выходным отверстием, сообщающимся с выходным патрубком, соединенным с "циклоном" с помощью перепускного патрубка, причем соединение выполнено на торце "циклона", противолежащем цилиндрической части корпуса и соосно с ним. Тормозное устройство выполнено по меньшей мере из двух радиально расположенных ребер, закрепленных на центральной втулке.

Благодаря тому что корпус теплогенератора оснащен циклоном, рабочая жидкость под давлением тангенциально поступает в него и двигается по спирали. Движение жидкости приобретает характер вихревого, скорость ее возрастает, и она попадает в цилиндрическую часть корпуса, диаметр которого в несколько раз превышает диаметр инжекционного отверстия, а затем в тормозное устройство. Такое конструктивное выполнение корпуса позволяет снизить скорость и давление среды, при этом в соответствии с законами термодинамики изменяется механическая энергия жидкости, направленная на возрастание ее температуры.

Дополнительное тормозное устройство, установленное в перепускном патрубке, повышает эффективность нагрева жидкости. Перепад давления на выходе из тормозного устройства в верхней части корпуса за счет соотношения выпускного отверстия корпуса и перепускного патрубка обеспечивает превалирование горячего потока жидкости над холодным. Перепускной патрубок обеспечивает перепускание жидкости из корпуса теплогенератора в выходной патрубок в случае закупорки выпускного отверстия, а также скачков давления жидкости в системе.

Недостатком известного устройства является снижение интенсивности нагрева теплоносителя из-за уменьшения скорости вращения потока по мере его удаления от "циклона". Кроме того, имеются дополнительные потери тепла в перепускном патрубке, а также гидродинамические потери из-за малого диаметра и большой длины перепускного патрубка. Все это снижает эффективность теплогенератора в целом.

Прототипом настоящего изобретения может служить устройство (Вихревой нагреватель), описанное в патенте RU 2129689, 6 F 25 В 29/00, согласно которому вихревой нагреватель, содержащий первую (внутреннюю) оболочку, с одной стороны (торца) которой установлен ускоритель движения жидкости, выполненный в виде "циклона", входной патрубок которого предназначен для подключения к насосу, и выходной патрубок, согласно изобретению снабжен дополнительной (наружной) оболочкой, расположенной вокруг первой, по крайней мере одним спиральным каналом, расположенным между оболочками, и средством, обеспечивающим подачу жидкости из первой оболочки в спиральный канал, а выходной патрубок расположен на дополнительной оболочке со стороны ускорителя движения жидкости.

Средство, обеспечивающее подачу жидкости из первой оболочки в спиральный канал, может быть выполнено в виде щелей в первой оболочке, расположенных в ее конце, противоположном ускорителю жидкости. Спиральные каналы могут быть образованы стальной лентой, навитой на первую (внутреннюю) оболочку с заданным шагом. В первой оболочке на заданном расстоянии от ускорителя движения жидкости установлены шнековые завихрители.

К недостаткам данного устройства можно отнести применение для восстановления турбулентности потока теплоносителя шнековых завихрителей, которые, незначительно увеличивая теплоотдачу, существенно увеличивают гидравлические потери (в 7-8 раз), и использование для нагревания теплоносителя, в конечном итоге, только работы сил вязкого трения, что снижает эффективность теплогенератора в целом.

Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в более полном использовании энергетики потока теплоносителя, преобразуемой в тепло, за счет установки в пристеночную область корпуса генератора (R-0,9R), где преобразуется в тепло до 60% энергии потока, турболизаторов и размещении на корпусе генератора резонаторов, создающих дополнительную турболизацию потока ультразвуком и резко интенсифицирующих протекание кавитационных процессов со значительным выделением тепловой энергии.

Например, при постановке 10 турболизаторов, представляющих из себя гребенку из металлической ленты (δ=0,1-0,3 мм) с 10 или более зубьями, закрученными на 360 градусов и свернутыми в блок по внутреннему диаметру корпуса нагревателя, теплоотдача увеличивается на 20-100% при увеличении гидравлического сопротивления всего до 2,5 раз.

Размещение на корпусе генератора резонаторов с резонансными частотами порядка 13-17 кГц, выполненных в виде глухих гильз, установленных по диаметру корпуса группами, размещенными вдоль корпуса на заданных расстояниях от "циклона" и между собой, увеличивает критерий Нуссельта более чем в 5 раз по сравнению с условиями естественной конвекции.

Сущность изобретения

Гидродинамический нагреватель - пассивный элемент нагревательной системы, в котором протекают все процессы эффективного преобразования энергии движения теплоносителя в тепловую энергию. Процесс получения энергии в данной конструкции складывается из двух составляющих:

1. Диссипация вихревого потока, возбуждаемая циклоном и поддерживаемая турболизаторами вследствие работы сил вязкости и перехода этой формы упорядоченного движения в неупорядоченную (тепловую) форму движения.

2. Возбуждение потоком ультразвуковых колебаний в резонатарах и возникновение кавитационных процессов в пеплоносителе с дальнейшим схлопыванием пузырьков пара, сопровождающимся выделением тепловой энергии.

Источником энергии является электрический насосный агрегат, создающий необходимое давление и обеспечивающий заданный расход теплоносителя.

Предлагаемое изобретение позволяет:

- создать и поддерживать на всем активном участке корпуса теплогенератора вращательный и поступательный турбулентный поток теплоносителя, при котором происходит его интенсивный нагрев,

- возбуждать потоком теплоносителя ультразвуковые колебания в резонаторах, при воздействии которых теплоноситель насыщается пузырьками пара, процесс разрушения которых вследствие протекающих кавитационных процессов также сопровождается интенсивным тепловыделением.

Это достигается за счет того, что гидродинамический нагреватель, содержащий цилиндрический корпус радиусом R, с одной стороны которого установлен ускоритель движения (например "Циклон" или аксиально-лопаточный ускоритель), соединенный с насосом, корпус согласно изобретению снабжен рядом турболизаторов, установленных во внутреннюю полость корпуса в область (R-0,9R), на заданном расстоянии от ускорителя движения и между собой и одним или несколькими рядами резонаторов, в которых движущийся турбулентный поток теплоносителя возбуждает ультразвуковые колебания, "рубашка" гидродинамического нагревателя принимает теплоноситель, выбрасываемый через расположенные в конце корпуса со стороны глухого фланца перепускные отверстия, направляет его вдоль выступающих в "рубашку" резонаторов, нагревающихся в результате протекающих в них кавитационных процессов, и уносит тепло далее к выпускному патрубку.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен общий вид гидродинамического нагревателя.

Гидродинамический нагреватель содержит цилиндрический корпус 1, "рубашку" 2, глухой фланец 3, расположенный с одного торца корпуса 1. На другом горце корпуса установлен ускоритель движения теплоносителя 5 (выполненный в виде "циклона" или ускорителя иного вида), предназначенный для завихрения (закручивания) теплоносителя в корпусе 1. В пристеночной области корпуса (R-0,9R) установлены турболизаторы 7, поддерживающие турбулентный характер движения потока теплоносителя на всем рабочем участке корпуса гидродинамического нагревателя. По диаметру цилиндрического корпуса на заданном расстоянии от циклона в два или более рядов со сдвигом по углу вварены гильзы резонаторов 4, в которых движущийся поток теплоносителя возбуждает ультразвуковые колебания.

Входной патрубок 6 циклона предназначен для подключения нагревателя к напорному выходу насоса (не показан).

В конце корпуса 1 со стороны глухого фланца 3 расположены перепускные отверстия 8 для нерепускания потока жидкости из корпуса 1 в "рубашку" 2.

В левой (по чертежу) части “рубашки” со стороны "циклона" по касательной по ходу вращения теплоносителя приварен выходной патрубок 9, предназначенный для подключения к перекачивающему насосу или непосредственно к потребителям тепла.

Гидродинамический нагреватель работает следующим образом.

Давление, создаваемое насосом (не показан) на входе "циклона" 5, завихряет поток теплоносителя, поступающего в корпус гидродинамического нагревателя 1. Генерирующий тепло вихревой поток теплоносителя, проходя через турболизаторы 7, подается в конец корпуса гидродинамического нагревателя 1 и по пути движения возбуждает ультразвуковые колебания в резонаторах 4, под действием ультразвуковых колебаний теплоноситель насыщается пузырьками пара. В результате протекающих кавитационных процессов, пузырьки прекращают свое существование, выделяя большое количество тепла, которое уносится теплоносителем, который и через перепускные отверстия 8 выбрасывается в "рубашку" 2, омывает корпуса резонаторов 4, отнимая у них тепло, и нагревается до более высокой температуры. Теплоноситель, продвигаясь вдоль "рубашки" к выпускному патрубку, частично отсасывается подающим насосом из "рубашки" и от потребителя и вновь поступает на вход нагревателя. Далее циркуляция повторяется.

Отбор тепла может осуществляться забором части жидкости в нагревательную систему непосредственно из выходного патрубка 9 и входного патрубка 6 "циклона" ответвлением через тройники или созданием теплообменника, отбирающего тепло из "рубашки" 2. Один гидродинамический нагреватель является модулем. Для получения большей мощности модули объединяются в сборки с подбором и установкой насосов соответствующей производительности.

Гидродинамический нагреватель относится к теплотехнике, в частности к устройствам для нагрева жидкости, и может быть использован в системах отопления зданий и сооружений, транспортных средств, подогрева воды для производственных и бытовых нужд. Сущность изобретения заключается в том, что гидродинамический нагреватель, содержащий цилиндрический корпус, в торце которого установлен ускоритель движения теплоносителя, входной патрубок, насос, "рубашку", перепускные отверстия из корпуса нагревателя в "рубашку" и выходной патрубок, дополнительно снабжен резонаторами, размещенными по окружности цилиндрического корпуса в два или более ряда со сдвигом по углу на заданном расстоянии от ускорителя движения теплоносителя и между собой и турболизаторами, выполненными в виде гребенки из металлической ленты толщиной 0,1-0,3 мм с 10 или более зубьями, закрученными на 360 градусов, свернутыми в блок по внутреннему диаметру корпуса нагревателя и установленными в пристеночной области корпуса (R÷0,9R) на заданном расстоянии от ускорителя движения теплоносителя, между собой и от резонаторов. Такое выполнение нагревателя позволяет более полно преобразовывать энергию потока в тепловую энергию. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Гидродинамический нагреватель, содержащий цилиндрический корпус радиусом R, в торце которого установлен ускоритель движения теплоносителя, входной патрубок, насос, "рубашку", перепускные отверстия из корпуса нагревателя в "рубашку" и выходной патрубок, отличающийся тем, что снабжен резонаторами, размещенными по окружности цилиндрического корпуса, и турболизаторами, установленными в пристеночной области корпуса (R÷0,9R) на заданном расстоянии от ускорителя движения теплоносителя, между собой и от резонаторов.2. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что резонаторы размещены в два или более ряда со сдвигом по углу на заданном расстоянии от ускорителя движения теплоносителя и между собой.3. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что турболизаторы выполнены в виде гребенки из металлической ленты толщиной 0,1-0,3 мм с 10-ю или более зубьями, закрученными на 360° и свернутыми в блок по внутреннему диаметру корпуса нагревателя.