КАВИТАЦИОННО-РОТОРНЫЙ ТЕПЛОГЕНЕРАТОР Российский патент 2005 года по МПК F24J3/00 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к устройствам для получения тепла, образующегося иначе, чем в результате сгорания топлив, и может быть использовано в системах водяного отопления производственных и жилых помещений.

Известно устройство для нагрева жидкости фрикционным способом, заключающемся в том, что тепло образуется в результате трения друг о друга и/или о жидкость твердых тел, приводимых в движение в сосуде с жидкостью, описанное в а.с. SU №1627790.

Недостатком этого устройства является то, что из-за потерь энергии эффективность нагрева (отношение количества вырабатываемой тепловой энергии к механической или электрической энергии, потребляемой устройством) много меньше единицы.

Известно устройство для нагрева жидкости, в котором эффективность нагрева близка к единице. Это "гидросонная помпа", описанная в патенте US №5188090, автора J.L.Griggs. Это устройство состоит из металлического статора, имеющего цилиндрическую полость, закрытую плоской крышкой. Внутри полости статора укреплен на валу цилиндрический ротор, на периферийной цилиндрической поверхности которого равномерно расположено множество цилиндрических радиальных углублений, имеющих диаметр ˜ 10 мм и высверленных на глубину, примерно равную диаметру этих углублений. Зазор между цилиндрическими поверхностями ротора и статора составляет 0,5-1 мм. Вал уплотнен уплотнениями, предотвращающими вытекание нагреваемой жидкости из устройства. В торцевых крышках статора имеются отверстия для подачи нагреваемой жидкости в устройство с одной его стороны и отвода ее с другой стороны.

Описанное устройство работает следующим образом. Через входное отверстие в полость статора подают воду, подлежащую нагреву. Она протекает по зазору между статором и ротором и выходит с противоположной стороны через отверстие в торцевой крышке устройства, к которому присоединен трубопровод для отвода нагретой воды к потребителю. Ротор устройства приводят во вращение с помощью электродвигателя, присоединяемого к валу ротора. При быстром вращении ротора центробежные силы стремятся выбросить воду из цилиндрических углублений на поверхности ротора (будем называть их ячейками Григгса). Но столб воды в ячейке Григгса удерживается за счет сил смачивания водой металлической поверхности ячейки. Противоборство этих двух сил приводит к разрежению в жидкости у донышек ячеек Григгса. При этом у донышек ячеек возникают кавитационные пузырьки, обуславливающие разрыв столба воды в этих ячейках. Под действием центробежных сил оторвавшийся от дна ячейки столб воды, бывший до того в напряженном состоянии, как пружина, выбрасывается из углубления и с большой скоростью ударяется в сопряженную с ротором внутреннюю цилиндрическую поверхность статора. В результате возникает ударная волна, которая усиливает кавитационные процессы в зазоре между ротором и статором. При быстрых периодических сжатиях и расширениях кавитационных пузырьков в воде происходит сильный нагрев парогазовой смеси в них, а затем и всей воды в этом рабочем зазоре.

Недостатком описанного устройства является то, что эффективность нагрева в нем не очень высока. Это обусловлено тем, что после выбрасывания порции воды из ячейки Григгса ячейка должна заполниться новой порцией воды из рабочего зазора между ротором и статором. А центробежные силы при вращении ротора препятствуют воде затекать в эти ячейки - углубления на поверхности ротора. В результате "скорострельность" ячеек (число "выстрелов" струйкой воды в единицу времени) не высока.

Указанный недостаток устранен в другом известном устройстве для нагрева жидкости, описанном в патенте RU №2116583, автора Порсева Е.Г. Это устройство состоит из цилиндрического полого корпуса, внутри которого закреплено неподвижное внешнее кольцо с радиальными отверстиями в нем, а коаксиально ему установлено вращающееся внутреннее кольцо, закрепленное на валу, приводимом во вращение электродвигателем. Во внутреннем кольце имеются такие же радиальные отверстия, как и во внешнем кольце, и расположены они в одной плоскости, перпендикулярной оси вращения вала. При вращении внутреннего кольца центробежные силы прижимают воду в радиальных отверстиях этого кольца к внутренней поверхности внешнего кольца, и когда отверстия в кольцах совмещаются и становятся соосными при их движении относительно друг друга, вода устремляется в отверстия внешнего кольца. А затем этот поток воды резко прерывается, когда отверстия в кольцах при вращении ротора смещаются дальше и перестают быть соосными. В результате в описанном устройстве возникают сильные пульсации жидкости, сопровождающиеся кавитацией. Наиболее эффективно вода в таком устройстве нагревается при частотах пульсаций 3,8-4,8 кГц.

В таком устройстве вода затекает в радиальные отверстия уже не против направления центробежных сил, как это было в описанной выше гидросонной помпе Григгса, а по направлению действия этих сил, и они не препятствуют воде течь, а, наоборот, помогают.

Недостатком описанного известного устройства является то, что кавитационные процессы в нем не очень мощны, так как столб рабочей жидкости в радиальных отверстиях колец не разрывается, а отсекается при смещении отверстий во время вращения внутреннего кольца. Это не позволяет достигать в прерываемой струе воды высокой степени разрежения, необходимой для рождения кавитационных пузырьков, и не позволяет развить высокую эффективность нагрева рабочей жидкости и достигать высоких температур ее нагрева за один проход жидкости через теплогенератор.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является "роторный насос - теплогенератор", описанный в патенте RU №2159901. Это устройство состоит из корпуса с цилиндрической полостью в нем, в которой размещены два коаксиально установленных кольца. Внешнее кольцо закреплено неподвижно относительно корпуса, а внутреннее закреплено на валу, приводимом во вращение от электродвигателя. В обоих кольцах имеются радиальные отверстия, расположенные в плоскости, перпендикулярной оси вращения. При этом отверстия во внешнем кольце имеют больший диаметр, чем соосные с ними отверстия во внутреннем кольце. Это обеспечивает "внезапное" расширение потока жидкости, проходящего через оба отверстия, и усиливает кавитацию за счет того, что при расширении потока жидкости давление в нем резко падает и рождаются кавитационные пузырьки. В результате рабочая жидкость нагревается более эффективно, чем в устройстве с одинаковыми отверстиями.

Надо отметить, что если зазор между вращающимся и неподвижным кольцами в описанном известном устройстве-прототипе стремятся сделать как можно меньшим, то зазор между внешним неподвижным кольцом и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса в этом устройстве, как и в описанных выше устройствах-аналогах, весьма велик и примерно равен толщине кольца. Так сделано для того, чтобы рабочая жидкость, выходящая из радиальных отверстий неподвижного внешнего кольца, не испытывала существенного сопротивления ее потоку.

Недостатком описанного известного устройства является то, что кавитационные процессы в нем недостаточно мощны, так как столб рабочей жидкости в радиальных отверстиях не разрывается, а отсекается при смещении отверстий во время вращения внутреннего кольца. Это не ведет при вращении ротора к возникновению большого разрежения в плоскости отсечения столба жидкости в радиальных отверстиях, что не создает условий для возникновения сильной кавитации и не позволяет развить очень высокую эффективность нагрева рабочей жидкости.

В основу изобретения положена задача разработать устройство для нагрева жидкости, в котором, благодаря изменению порядка расположения вращающегося и неподвижного колец и изменения последовательности расположения радиальных отверстий большего и меньшего диаметра, обеспечивается повышение эффективности нагрева рабочей жидкости за счет усиления кавитационных процессов.

Поставленная задача решается тем, что в кавитационно-роторном теплогенераторе, состоящем из корпуса с входом и выходом для нагреваемой жидкости, имеющего цилиндрическую полость, в которой размещены два коаксиальных кольца, одно из которых закреплено неподвижно относительно корпуса, а другое приводится во вращение от приводного вала, соосного с кольцами, с радиальными отверстиями в этих кольцах, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси вращения, согласно изобретению внешнее коаксиальное кольцо выполнено вращающимся, а внутреннее кольцо выполнено неподвижным относительно корпуса теплогенератора, при этом зазор между вращающимся внешним коаксиальным кольцом и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса составляет от 0,5 до 3 мм.

Приведение во вращение внешнего коаксиального кольца теплогенератора ведет к возникновению в радиальных отверстиях этого кольца центробежных сил, стремящихся выбросить из этих отверстий столб рабочей жидкости. А когда эти отверстия перекрыты изнутри поверхностью внутреннего неподвижного кольца, то, благодаря наличию сил смачиваемости между рабочей жидкостью и этой поверхностью, здесь возникают большие напряжения растяжения в жидкости и разрежения в ней. При этом в жидкости рождаются кавитационные пузырьки, которые сливаются в кавитационную каверну, обеспечивающую разрыв столба жидкости в радиальном отверстии вращающегося кольца, как в вышеописанной ячейке Григгса. В результате рабочая жидкость с силой выбрасывается из радиального отверстия во вращающемся кольце и ударяется в цилиндрическую поверхность неподвижного корпуса теплогенератора, вызывая в результате столкновения с ней появление ударной волны, усиливающей последующее схлопывание кавитационных пузырьков в рабочей жидкости. Для того чтобы энергия струи жидкости, выбрасываемой из радиального отверстия во вращающемся внешнем кольце, не терялась впустую по пути от этого отверстия до поверхности корпуса теплогенератора, зазор между вращающимся внешним кольцом и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса предлагается уменьшить до величины от 0,5 до 3 мм. Нижний предел 0,5 мм здесь обусловлен необходимостью обеспечения свободного протекания нагреваемой рабочей жидкости по этому зазору после выхода ее из радиальных отверстий вращающегося кольца, а верхний предел - 3 мм обусловлен тем, что при больших величинах зазора значительная часть кинетической энергии струи рабочей жидкости, выбрасываемой из радиального отверстия во вращающемся кольце, теряется на преодоление сил трения об окружающую жидкость в этом зазоре.

Если в гидросонной помпе Григгса, описанной выше, заполнение ячейки новой порцией рабочей жидкости после каждого "выстрела" струйкой рабочей жидкости осуществлялось снаружи в направлении, противоположном направлению действия центробежных сил, которые замедляли процесс заполнения, то в предлагаемом устройстве заполнение рабочей жидкостью радиального отверстия во внешнем вращающемся кольце после каждого "выстрела" из него осуществляется изнутри (в направлении от оси вращения) через отверстия во внутреннем неподвижном кольце, когда эти отверстия оказываются совмещенными с радиальными отверстиями во внешнем вращающемся кольце. При этом центробежные силы уже не препятствуют процессу заполнения, а наоборот ускоряют его.

Также, согласно изобретению на резьбовом конце приводного вала навинчен стальной диск с ободом, на который навинчено внешнее вращающееся кольцо.

Также, согласно изобретению на приводном валу закреплена ступица, в которую вставлены спицы, удерживающие внешнее вращающееся кольцо.

Также, согласно изобретению на резьбовом конце приводного вала навинчена металлическая насадка, к которой прикреплен текстолитовый диск с ободом, на котором закреплено вращающееся внешнее кольцо.

Также, согласно изобретению диаметр отверстий во внутреннем неподвижном кольце в 1,5-3 раза больше, чем диаметр отверстий во внешнем вращающемся кольце.

Указанные размеры диаметров колец обусловлены необходимостью обеспечить полное заполнение радиального отверстия во вращающемся внешнем кольце до момента перекрытия его стенкой внутреннего неподвижного кольца, что позволяет центробежным силам осуществлять процесс заполнения до конца и тем самым повышать эффективность работы теплогенератора.

Также, согласно изобретению количество отверстий во внешнем вращающемся кольце не равно количеству отверстий во внутреннем неподвижном кольце.

Когда количество радиальных отверстий во внешнем вращающемся и во внутреннем неподвижном кольцах одинаково, то все "выстрелы" струйками рабочей жидкости из всех этих отверстий происходят одновременно в момент перекрытия отверстий во вращающемся внешнем кольце сплошной стенкой внутреннего кольца. Это похоже на стрельбу залпами из орудийной батареи, что в теплогенераторе ведет к ненужному усилению вибраций, разрушающих его конструкцию. Поэтому в предлагаемом изобретении количество отверстий во внешнем вращающемся кольце делают неравным количеству отверстий во внутреннем неподвижном кольце. В результате при вращении внешнего кольца появляется рассинхронизация моментов совпадения его радиальных отверстий с отверстиями во внутреннем кольце, "выстрелы" струйками жидкости идут вразнобой, и уменьшаются вибрации конструкции.

Ниже изобретение подробно раскрыто в описании со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает в разрезе предлагаемый теплогенератор;

фиг.2 изображает частичный вырыв из разреза, изображенного на фиг.1;

фиг.3 изображает схему взаимного расположения внутреннего и внешнего коаксиальных колец при четном количестве радиальных отверстий во внешнем кольце и нечетном во внутреннем;

фиг.4 изображает в разрезе другой вариант исполнения предлагаемого теплогенератора, в котором крепление внешнего кольца к вращающемуся валу осуществляется спицами;

фиг.5 изображает в разрезе третий вариант исполнения предлагаемого теплогенератора, в котором крепление внешнего кольца к вращающемуся валу осуществляется посредством промежуточного текстолитового диска.

Предлагаемый теплогенератор, изображенный на фиг.1, состоит из сварного стального опорного узла 1, прикрепленного шпильками 2 к чугунному корпусу 3 унифицированной опорной стойки центробежного насоса. Эта унифицированная стойка имеет стандартный сальниковый узел 4, установленный на валу 5, к противоположному концу которого присоединен электродвигатель, приводящий вал во вращение (не показан). Под сальниками сальникового узла на вал 5 надета сменная втулка 6 из абразивно-стойкой бронзы. Зазор между валом 5 и втулкой 6 уплотнен тефлоновым уплотнением, прижимаемым стальной втулкой 7. На резьбовой конец вала 5 навинчен стальной диск 8, на обод которого навинчено на резьбе внешнее (вращающееся) стальное кольцо 9 теплогенератора. Кольцо 9 имеет один или несколько рядов радиальных отверстий, расположенных в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Диаметр этих отверстий приблизительно равен толщине кольца 9. Количество рядов отверстий в кольце 9 может быть любым, начиная с одного. Чем больше рядов, тем мощнее теплогенератор.

Коаксиально кольцу 9 расположено внутреннее неподвижное стальное кольцо 10, в котором имеются такое же количество рядов радиальных отверстий, а их оси расположены в одних плоскостях с осями радиальных отверстий кольца 9, перпендикулярных оси вала 5. Радиальные отверстия в кольце 10 можно делать одинакового диаметра с отверстиями в кольце 9, но лучше делать их в 2-3 раза большими, чем отверстия в кольце 9.

Внутреннее кольцо 10 ввинчено своим резьбовым концом в стальной диск 11. А он прижат стягивающими шпильками 12 к стальному цилиндрическому корпусу 13 теплогенератора, в полости которого и расположены кольца 9 и 10. Поверх диска 11 уложено промежуточное кольцо 14 с отверстиями в нем для шпилек 12 и для прохода рабочей жидкости. А поверх него уложено стальное днище 15 теплогенератора с приваренным в его центре штуцером 16 для выхода нагретой жидкости. К этому же днищу 15 приварено тонкостенное стальное кольцо-перегородка 17 с шайбой 18, которая своим наружным краем почти соприкасается с неподвижным кольцом 10.

В этом кольце 10 имеется такое же количество рядов радиальных отверстий 17, как и в кольце 9, причем диаметр отверстий в кольце 10 в 1,5-3 раза больше, чем диаметр отверстий в кольце 9.

Зазор между наружной поверхностью вращающегося кольца 9 и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 13 составляет от 0,5 до 3 мм.

Шпильки 12 проходят не через все отверстия в цилиндрическом корпусе 13, а через одно. Свободные отверстия (см. фиг.2) служат для прохода через них нагреваемой жидкости, движение которой на чертежах условно показано стрелками.

Количество радиальных отверстий во вращающемся кольце 9 рекомендуется делать не равным количеству отверстий в неподвижном кольце 10. На фиг.3 показана, как один из вариантов выполнения, схема взаимного расположения коаксиальных колец, при которой во вращающемся кольце 9 имеется четное количество радиальных отверстий, а в неподвижном кольце 10 - нечетное количество отверстий.

В сварном опорном узле 2 (фиг.1) имеется патрубок 19 для подвода нагреваемой жидкости, а в диске 8 имеются отверстия 20 для прохода нагреваемой жидкости. Между опорным узлом 1 и чугунным корпусом 4 установлены теплоизолирующее кольцо 21 и прокладка 22. Под гайки шпилек 2 уложены теплоизолирующие шайбы 23.

Предлагаемый теплогенератор, изображенный на фиг.4, отличается от теплогенератора, изображенного на фиг.1 и 2, тем, что вместо монолитного диска 8, передающего вращение от вала 5 к внешнему кольцу 9, в нем установлены стальные спицы 24 (типа велосипедных), вставленные в отверстия ступицы 25 и натянутые с помощью натяжных гаек 26, вставленных в углубления, высверленные во внешнем кольце 9. Такое исполнение уменьшает массу вращающейся части теплогенератора (его ротора), что приводит к уменьшению пусковых токов электродвигателя, приводящего его во вращение.

Предлагаемый теплогенератор, изображенный на фиг.5, отличается от теплогенератора, изображенного на фиг.1 и 2, тем, что вместо монолитного диска 8, передающего вращение от вала 5 к внешнему кольцу 9, в нем установлен более сложный узел, состоящий из обода 27, выполненного из дюралюминия и навинченного на текстолитовый диск 28, приклепанный заклепками к металлической насадке 29, навинченной на резьбовой конец вала 5. Введение в конструкцию текстолитового диска 28 позволяет уменьшить уход (и потери) тепла от кольца 9 на вал 5, так как у текстолита теплопроводность в сотни раз меньше, чем у металла.

Описанное устройство работает следующим образом. Во входной патрубок 19 подают по трубопроводу рабочую жидкость, подлежащую нагреву (воду, трансформаторное масло, нефть, тосол или др.). Она движется внутри теплогенератора в направлениях, указанных стрелками, и вытекает через выходной патрубок 16. После этого включают электродвигатель, приводящий во вращение вал 5. В результате внешнее кольцо 9 начинает вращаться, а в его радиальных отверстиях начинают действовать центробежные силы, стремящиеся выбросить жидкость из этих отверстий к внутренней поверхности корпуса 13 теплогенератора. Но силы смачиваемости жидкостью поверхности внутреннего неподвижного кольца 10 препятствуют разрыву столба жидкости в радиальном отверстии кольца 9, когда это отверстие перекрыто изнутри сплошной поверхностью кольца 10. В результате в столбе жидкости в отверстии возникает разрежение, наиболее сильное у дна отверстия, и здесь рождаются кавитационные пузырьки, объединяющиеся в кавитационную каверну. Она нарушает сплошность столба жидкости, и он отрывается от дна (от поверхности внутреннего неподвижного кольца 10). В результате жидкость с силой выбрасывается из радиального отверстия и устремляется к внутренней поверхности корпуса 13 теплогенератора. При столкновении с ней струйки жидкости рождается ударная волна, которая способствует быстрому схлопыванию кавитационных пузырьков в жидкости, находящейся в зазоре между цилиндрическими поверхностями корпуса 13 и кольца 9. При схлопывании кавитационных пузырьков температура в них повышается до тысяч градусов по Цельсию, отчего пузырьки светятся в темноте. (Это давно известное явление называется сонолюминесценцией.)

После выброса порции жидкости из радиального отверстия во вращающемся кольце 9 происходит заполнение этого отверстия новой порцией рабочей жидкости через радиальное отверстие во внутреннем неподвижном кольце 10, когда при вращении кольца 9 радиальное отверстие в нем совмещается с радиальным отверстием в кольце 10. После заполнения радиального отверстия в кольце 9 рабочей жидкостью это отверстие снова перекрывается изнутри сплошной поверхностью кольца 10 при вращении кольца 9, и вышеописанный процесс повторяется. В результате того, что заполнение радиальных отверстий в кольце 9 происходит изнутри (от оси вращения кольца), а не снаружи, как это было в гидросонной помпе Григгса, центробежные силы не мешают заполнению, а помогают ему, и заполнение происходит быстро. Этим достигается повышение частоты выбросов порций рабочей жидкости из радиальных отверстий и повышение тепло производительности теплогенератора.

Изобретение относится к устройствам для получения тепла, образующегося иначе, чем в результате сгорания топлива, и может быть использовано в системах водяного отопления помещений. Кавитационно-роторный теплогенератор состоит из корпуса с входом и выходом для нагреваемой жидкости, имеющего цилиндрическую полость и размещенных в ней два коаксиальных кольца, одно из которых закреплено неподвижно относительно корпуса, а другое приводится во вращение от приводного вала, соосного с кольцами. Кольца снабжены радиальными отверстиями, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Внешнее коаксиальное кольцо выполнено вращающимся, а внутреннее - неподвижным относительно корпуса, при этом зазор между вращающимся внешним кольцом и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса составляет от 0,5 до 3 мм. На резьбовой конец приводного вала навинчен стальной диск с ободом, на который навинчено внешнее вращающееся кольцо. На приводном валу закреплена ступица, в которую вставлены стальные спицы, натянутые с помощью натяжных гаек, установленных в углублениях во внешнем вращающемся кольце. На резьбовом конце приводного вала навинчена металлическая насадка, к которой прикреплен текстолитовый диск с ободом, на котором закреплено вращающееся внешнее кольцо. Диаметр отверстий во внутреннем неподвижном кольце в 1,5-3 раза больше, чем диаметр отверстий во внешнем вращающемся кольце. Количество отверстий во внешнем вращающемся кольце не равно количеству отверстий во внутреннем неподвижном кольце. При таком выполнении теплогенератора усиливаются происходящие при вращении ротора кавитационные процессы, что повышает эффективность нагрева. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Кавитационно-роторный теплогенератор, состоящий из корпуса с входом и выходом для нагреваемой жидкости, имеющего цилиндрическую полость, в которой размещены два коаксиальных кольца, одно из которых закреплено неподвижно относительно корпуса, а другое приводится во вращение от приводного вала, соосного с кольцами, с радиальными отверстиями в этих кольцах, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси вращения, отличающийся тем, что внешнее коаксиальное кольцо выполнено вращающимся, а внутреннее кольцо выполнено неподвижным относительно корпуса теплогенератора, при этом зазор между вращающимся внешним коаксиальным кольцом и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса составляет от 0,5 до 3 мм.2. Теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что на резьбовой конец приводного вала навинчен стальной диск с ободом, на который навинчено внешнее вращающееся кольцо.3. Теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что на приводном валу закреплена ступица, в которую вставлены стальные спицы, натянутые с помощью натяжных гаек, установленных в углублениях во внешнем вращающемся кольце.4. Теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что на резьбовом конце приводного вала навинчена металлическая насадка, к которой прикреплен текстолитовый диск с ободом, на котором закреплено вращающееся внешнее кольцо.5. Теплогенератор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что диаметр отверстий во внутреннем неподвижном кольце в 1,5-3 раза больше, чем диаметр отверстий во внешнем вращающемся кольце.6. Теплогенератор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что количество отверстий во внешнем вращающемся кольце не равно количеству отверстий во внутреннем неподвижном кольце.