ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК F24J3/00 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к теплотехнике и предназначено для нагревания жидких теплоносителей в системах отопления и горячего водоснабжения.

Уровень техники.

Известен теплогенератор кавитационного типа, базирующийся на использовании вихревой форсунки, в которую подается жидкий теплоноситель от насоса, а для получения дополнительного теплового эффекта в торцовой стенке резонатора установлены электроды с подводимым к ним регулируемым напряжением (см. патент Российской Федерации №2201561, кл. 7 F 24 J 3/00).

Недостатком данного кавитационного теплогенератора является недоиспользование теплогенерирующих возможностей каждого из используемых тепловых эффектов, а именно: в вихревой форсунке - в недостаточном использовании центробежной силы при закручивании потока; в резонаторе - из-за слабого влияния на кавитационные процессы в потоке теплоносителя; тепловой эффект, имеющий место при электролизе воды, имеет совсем другую физическую природу и получение теплового эффекта будет практически незначительным.

Другое известное устройство для нагрева жидкости (см. патент Российской Федерации №2162571, кл. 7 F 24 D 3/02) также использует вихревую форсунку, а для достижения дополнительного теплового эффекта в инжекционном патрубке на входе в циклон установлена перфорированная перегородка. Однако такая перегородка создает местное гидравлическое сопротивление, что приводит к резкому снижению скорости потока жидкости, а это значительно снижает эффективность циклона и, как следствие, всего устройства для нагрева жидкости в целом.

В физическом процессе выделения теплоты в жидкости при ее сжатии основным фактором является давление, определяющее энергетический процесс на молекулярном уровне теплоносителя. Исходя из природы этого процесса, известные нам конструкции гидродинамических теплогенераторов построены на априорном использовании одного и того же теплового эффекта, возникающего при сжатии жидкости.

Наиболее близким устройством к заявленному является теплогенератор, выполненный в виде вихревой трубы, состоящей из закручивающего входного устройства, корпуса и патрубка отвода нагретой жидкости, причем корпус вихревой трубы и патрубок отвода нагретой жидкости установлены по разные стороны входного закручивающего устройства. Внутренняя полость корпуса вихревой трубы представляет собой расширяющийся сосуд, при этом стенки полости снабжены продольными канавками (пат. РФ №2134381 С1, МПК 6 F 24 D 3/02, F 24 J 3/00).

Недостатком данного теплогенератора в соответствии с физическим процессом, происходящим на молекулярном уровне при сжатии жидкого теплоносителя, является следующее:

- при закручивании потока происходит уменьшение давления во внутреннем слое теплоносителя, что снижает его температуру;

- раскрученный поток, имеющий пониженное давление в центре, имеет склонность к срыву закручивания и простому заполнению полости вихревой трубы, что приводит к значительному снижению теплового эффекта;

- поскольку нагретая часть потока и охлажденная не разделяются, то нагретая часть теплоносителя, смешиваясь с холодной, снижает суммарную температуру потока. В результате общий тепловой эффект значительно снижается.

Эти недостатки устраняются при помощи предлагаемого изобретения.

Раскрытие изобретения.

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению теплового эффекта гидродинамического нагревателя и повышению стабильности работы гидродинамического нагревателя.

Технический результат достигается тем, что гидродинамический нагреватель, содержащий циклон, цилиндр, подсоединенный одним торцом к циклону, а с другого торца внутри снабжен тормозным устройством, отличающийся тем, что между цилиндром и циклоном установлен конусный завихритель в виде усеченного пустотелого конуса, последний соединен большим основанием с циклоном, а меньшим основанием подсоединен к цилиндру, при этом внутри конусного завихрителя установлен пустотелый закрытый усеченный конус, закрытый со стороны оснований и соединенный большим основанием с крышкой циклона регулировочным винтом и входящий в ограничительное кольцо, прикрепленное к крышке циклона, с образованием между боковыми стенками циклона и ограничительного кольца канала для движения потока жидкости с выходом ее в конусный завихритель, причем со стороны меньшего основания на пустотелый закрытый конус надета воронка, имеющая патрубок, проходящий через цилиндр, а к последнему ниже тормозного устройства подсоединена тормозная камера с патрубком, перпендикулярным цилиндру, а через днище тормозной камеры проходит направляющая втулка, надетая на патрубок, соединенный с воронкой, и в направляющей втулке установлен фиксирующий винт.

Краткое описание чертежей.

Предлагаемый гидродинамический нагреватель представлен на чертеже (продольный разрез).

Осуществление изобретения.

Гидродинамический нагреватель состоит из циклона 1 с крышкой 2, на который установлены ограничительное кольцо 3 и регулировочный винт 4, к циклону 1 крепится конусный завихритель 5, а к нему подсоединен цилиндр 6, содержащий тормозное устройство 7, ниже которого к цилиндру 6 подсоединена тормозная камера 8 с патрубком 9, перпендикулярно расположенным к цилиндру 6, к крышке 2 циклона 1 крепится с помощью регулировочного винта 4 пустотелый закрытый усеченный конус 10, входящий большим основанием в ограничительное кольцо 3; со стороны меньшего основания на усеченный конус надета воронка 11 с патрубком 12, который проходит через цилиндр 6, тормозное устройство 7 и направляющую втулку 13, установленную в тормозной камере 8 и снабженную фиксирующим винтом 14.

Работает гидродинамический нагреватель следующим образом.

Поток воды поступает под давлением в циклон 1 и движется по его внутренней поверхности с выходом в пространство между конусным завихрителем 5 и пустотелым закрытым усеченным конусом 10. Поскольку подача воды в циклон 1 остается постоянной благодаря работе водяного насоса (не показан), а сечение потока подбирается тоже постоянным и равным сечению выходного патрубка водяного насоса для уменьшения гидравлических потерь потока на местные сопротивления, следовательно, линейная скорость потока также остается постоянной на момент вхождения в циклон 1, в котором поток приобретает к прямолинейному поступательному движению еще и вращательное относительно оси, перпендикулярной прямолинейному движению потока в направлении против часовой стрелки для северных широт и по часовой стрелке для южных широт. Из циклона 1 поток воды, приобретя вращательное направление движения, в связи с которым возникает центробежная сила, что приводит к увеличению общего давления внутри потока, переходит в конусный завихритель 5, где закручивается по его внутренней поверхности с плавно уменьшающимся радиусом закручивания, что значительно увеличивает прирост угловой скорости потока, а это вызывает увеличение центробежной силы, действующей на молекулы воды, и увеличивающей силу сжатия молекул в потоке, что приводит к увеличению теплового эффекта, который на молекулярном уровне зависит именно от давления внутри потока. Пустотелый закрытый усеченный конус 10 служит для обеспечения стабильной работы конусного завихрителя 5, что заключается в предотвращении срыва потока, закручиваемого по внутренней поверхности конусного завихрителя 5, а также для ликвидации зоны пониженного давления внутри гидродинамического нагревателя, при наличии которой вода на внешней поверхности пустотелого закрытого усеченного конуса 10 охлаждается и, смешиваясь с водой, нагретой на внутренней поверхности конусного завихрителя 5, уменьшает суммарный нагрев воды, проходящей через конусный завихритель 5. Посредством регулировки положения пустотелого закрытого усеченного конуса 10 при помощи регулировочного винта 4, свободным концом ввернутого в крышку 2 вдоль ограничительного кольца 3 относительно воронки 11, устанавливается режим работы гидродинамического нагревателя без образования потока холодной воды при отсутствии зазора между пустотелым закрытым усеченным конусом 10 и воронкой 11, а это значительно повышает его теплопроизводительность. Настройка режима работы гидродинамического нагревателя осуществляется посредством продольного перемещения патрубка 12 вдоль направляющей втулки 13, которая проходит тормозную камеру 8 в центре торца, с последующей фиксацией положения патрубка 12 фиксирующим винтом 14, а также перемещением пустотелого закрытого усеченного конуса 10 с помощью регулировочного винта 4 до полного устранения образования холодного потока в центральной части. В конечном итоге воронка 11 плотно прилегает к пустотелому закрытому усеченному конусу 10 и зазор между ними отсутствует. Эта регулировка может быть использована для регулирования рабочей температуры теплоносителя при невозможности регулирования напора и водяного насоса. В оптимальном рабочем режиме поток воды, нагретый в завихрителе 5 за счет адиабатного сжатия молекул на его внутренней поверхности с выделением при этом теплоты, поступает в цилиндр 6. Далее поток, имеющий максимальную угловую скорость, поступает на лопатки тормозного устройства 7, где его угловая скорость становится равной нулю, а кинетическая энергия при этом переходит в тепловую, дополнительно нагревая воду. Далее поток поступает в тормозную камеру 8, в которой он меняет направление поступательной скорости на перпендикулярное, что снова вызывает сжатие молекул в потоке и выделение при этом фотонов энергии с переходом этой энергии на тепловой уровень, проявляющийся через повышение температуры воды, что завершает цикл нагрева потока воды.

Достоинством данного теплогенератора является наличие в нем всех элементов, необходимых для реализации теплового эффекта, возникающего при сжатии жидкости, а именно: циклона 1, служащего для закручивания потока и возникновения в нем центробежных сил, сжимающих жидкость; конусного завихрителя 5, увеличивающего угловую скорость потока; цилиндра 6, в котором поток еще больше закручивается с увеличением центробежных сил; тормозного устройства 7 и тормозной камеры 8, преобразующих кинетическую энергию потока в потенциальную энергию сжатого потока, сопровождающуюся значительным повышением давления, что, благодаря энергетическим процессам, протекающим на молекулярном уровне, приводит к повышению температуры жидкостного теплоносителя.

На всех четырех этапах нагрева воды, а именно: в циклоне 1, в конусном завихрителе 5, в тормозном устройстве 7 и в тормозной камере 8 физический процесс выделения теплоты обусловлен одной причиной - сжатием молекул и выделением при этом валентными электронами фотонов энергии, но на каждом этапе увеличение давления достигается разными, изложенными выше способами, обусловленными элементами конструкции гидродинамического нагревателя.

Настройка гидродинамического нагревателя на необходимый режим, обусловленный напором и подачей воды в циклон 1, осуществляется следующим образом.

В исходном положении пустотелый закрытый усеченный конус 10 прижат к крышке 2 циклона 1 регулировочным винтом 4, воронка 11 прижата к пустотелому закрытому усеченному конусу 10 и зафиксирована посредством зажатия патрубка 12 в направляющей втулке 13 фиксирующим винтом 14.

Отпустить фиксирующий винт 14 и, вытягивая патрубок 12, отдалять воронку 11 от пустотелого закрытого усеченного конуса 10 до тех пор, пока из патрубка 12 потечет вода. Замерить температуру воды с точностью до 0,5°С. Если температура воды будет, по крайней мере, не ниже, чем температура воды на входе в закручивающее входное устройство 1, то это значит, что гидродинамический нагреватель работает в оптимальном режиме. Если вода, вытекающая из патрубка 12, будет иметь меньшую температуру, необходимо с помощью регулировочного винта 4 опустить пустотелый закрытый усеченный конус 10 до закрытия воронки 11. После этого снова отдалить воронку 11 от пустотелого закрытого усеченного конуса 10 до поступления воды из патрубка 12 и замерить ее температуру, после чего снова закрыть воронку 11 пустотелым закрытым усеченным конусом 10. Операции повторять до тех пор, пока при открытой воронке 11 из патрубка 12 не станет поступать вода, по крайней мере, температурой не ниже, чем температура воды на входе в циклон 1. Закрыть воронку 11 пустотелым закрытым усеченным конусом 10 и зафиксировать фиксирующий 14 и регулировочный винт 4. При этом гидродинамический нагреватель настроен на оптимальный режим работы.

Преимущество заявленного гидродинамического нагревателя перед прототипом и другими известными техническими решениями состоит в следующем:

- в конусном завихрителе радиус закручивания потока уменьшается, что при постоянной линейной скорости потока вынуждает его увеличивать угловую скорость вращения, что приводит к увеличению центробежной силы, увеличению сжатия молекул и, как результат, увеличению тепловыделения;

- с помощь пустотелого закрытого усеченного конуса ликвидируется зона пониженного давления, в которой вода охлаждается, а следовательно, остается только процесс нагревания без снижения температуры охлажденной водой, что повышает теплопроизводительность гидродинамического нагревателя;

- в тормозной камере происходит дополнительное торможение - эффект, близкий к гидравлическому удару, но без остановки потока, что способствует дополнительному повышению давления и выделению теплоты;

- регулируемое положение пустотелого закрытого усеченного конуса в завихрителе позволяет настроить гидродинамический нагреватель на режим работы в широком диапазоне применительно к конкретным условиям.

Сопоставительный анализ прототипа позволяет сделать вывод о том, что по сравнению с прототипом и другими рассмотренными теплонагревателями заявленный гидродинамический нагреватель имеет ряд существенных преимуществ, что влечет за собой значительное повышение его теплопроизводительности и возможности использования его в широком диапазоне напора и подачи воды в системе теплоснабжения.

Анализ известных технических решений в исследуемой области и в сменных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с признаками заявленного устройства, выполняющего те же функции.

Экономическая эффективность от использования заявленного устройства заключается в том, что:

- при одинаковых затратах энергии количество выделяемой теплоты увеличивается в 3 раза;

- появляется возможность одну и ту же конструкцию гидродинамического нагревателя использовать при различных режимах движения теплоносителя в системах теплоснабжения.

Изобретение относится к теплотехнике и предназначено для нагревания жидких теплоносителей в системах отопления и горячего водоснабжения. Технический результат - повышение теплового эффекта и стабильности работы гидродинамического нагревателя. Для достижения заданного результата в гидродинамическом нагревателе, содержащем циклон, цилиндр, подсоединенный одним торцом к циклону, а с другого торца внутри снабженный тормозным устройством, между цилиндром и циклоном установлен конусный завихритель в виде усеченного пустотелого конуса, последний соединен большим основанием с циклоном, а меньшим основанием подсоединен к цилиндру, при этом внутри конусного завихрителя установлен пустотелый закрытый усеченный конус, закрытый со стороны оснований и соединенный большим основанием с крышкой циклона регулировочным винтом и входящий в ограничительное кольцо, прикрепленное к крышке циклона с образованием между боковыми стенками циклона и ограничительного кольца канала для движения потока жидкости с выходом ее в конусный завихритель, причем со стороны меньшего основания на пустотелый закрытый усеченный конус надета воронка, имеющая патрубок, проходящий через цилиндр, а к последнему ниже тормозного устройства подсоединена тормозная камера с патрубком, перпендикулярным цилиндру, а через днище тормозной камеры проходит направляющая втулка, надетая на патрубок, соединенный с воронкой, при этом в направляющей втулке установлен фиксирующий винт. 1 ил.

Гидродинамический нагреватель, содержащий циклон, цилиндр, подсоединенный одним торцом к циклону, а с другого торца цилиндр внутри снабжен тормозным устройством, отличающийся тем, что между цилиндром и циклоном установлен конусный завихритель в виде усеченного пустотелого конуса, последний соединен большим основанием с циклоном, а меньшим основанием подсоединен к цилиндру, при этом внутри конусного завихрителя установлен пустотелый закрытый усеченный конус, закрытый со стороны оснований и соединенный большим основанием с крышкой циклона регулировочным винтом и входящий в ограничительное кольцо, прикрепленное к крышке циклона, с образованием между боковыми стенками циклона и ограничительного кольца канала для движения потока жидкости с выходом ее в конусный завихритель, причем со стороны меньшего основания на пустотелый закрытый усеченный конус надета воронка, имеющая патрубок, проходящий через цилиндр, а к последнему ниже тормозного устройства подсоединена тормозная камера с патрубком, перпендикулярным цилиндру, а через днище тормозной камеры проходит направляющая втулка, надетая на патрубок, соединенный с воронкой, при этом в направляющей втулке установлен фиксирующий винт.