КАВИТАЦИОННЫЙ ТЕПЛОГЕНЕРАТОР Российский патент 2008 года по МПК F24J3/00 

Изобретение относится к конструкциям кавитационных теплогенераторов, выполненных в виде роторно-пульсационных аппаратов, которые могут быть использованы преимущественно в автономных, замкнутых системах теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, а также для нагрева воды в системах горячего водоснабжения и нагрева жидкостей в технологических системах.

Известен аппарат для фрикционного нагревания жидкости (US Patent N5341768, Int. C1 F24С 9/00, U.S. C1. 122/26, Apparatus for frictionally heating liquid / Ralph E.Pope; Filed Sep. 21, 1993; Date of patent: Aug. 30, 1994), выполненный в виде специального насоса-нагревателя с корпусом, электроприводом и дисковым ротором, в теле которого выполнена всасывающая полость, соосная с ротором, и нагнетательные цилиндрические каналы, направленные по касательным к всасывающей полости и выходящие на цилиндрическую поверхность ротора. При вращении ротора вода, поступающая во всасывающую полость, центробежными силами по каналам ротора отбрасывается на периферию, при этом нагревается трением о стенки каналов и гидродинамической кавитацией вследствие разрыва сплошности жидкой среды при больших скоростях течения. Энергетический эффект при этом достигается сверхъединичный, то есть на 1 кВт затраченной электрической энергии получается на выходе до 1,32-1,38 кВт тепловой. Однако вследствие того, что кавитационные каверны (микропузырьки) охлопываются на поверхности ротора, наблюдается интенсивная кавитационная эрозия конструкций, выводящая из строя теплогенератор (Eugene Mallove. Water-Fueled Kinetic Furnace Enters the New Energy Race // Infinite Energy. - Volume 4, - Issue 19, 1998. - P.19).

Известен также ультразвуковой активатор (Патент РФ №2054604, М. кл. F24J 3/00, G21В 1/00, Способ получения энергии / Кладов А.Ф.; Заявл.02.07.93; Опубл. 20.02.96), содержащий две или более соединенных последовательно рабочих камер, в каждой из которых установлены рабочие колеса центробежного насоса с закрепленными на периферии роторами в виде перфорированных колец. Коаксиально роторам в корпусах рабочих камер напротив каждого ротора закреплен статор, выполненный в виде перфорированного кольца. Рабочие камеры сообщены между собой посредством диффузоров. Последняя рабочая камера соединена с первой камерой циркуляционным контуром.

В процессе вращения рабочее колесо центробежного насоса сообщает обрабатываемой жидкости кинетическую энергию, которая частично преобразуется в статическое давление (в диффузорах), а частично в переменное давление при прохождении перекрывающихся перфораций ротора и статора при вращении ротора. Во время действия на жидкость полупериода отрицательной полуволны переменного давления в жидкости, находящейся в зоне обработки, образуются кавитационные пузырьки. Во время действия на жидкость следующего полупериода положительной полуволны переменного давления кавитационные пузырьки сжимаются. К концу этого полупериода пузырьки запасают кинетическую энергию, определяемую разностью давлений, действующих на пузырьки снаружи и изнутри. Снаружи на пузырьки действует сумма переменного и статического давлений. Внутри пузырьков действует давление насыщенных паров жидкости. Кроме того, на движение пузырьков оказывают влияние и другие силы, определяемые физико-химическими свойствами жидкости. В момент исчезновения пузырька (в момент его захлопывания) кинетическая энергия преобразуется в энергию столкновения элементарных частиц. Энергия, выделяющаяся при захлопывании пузырька, на несколько порядков превышает энергию связи элементарных частиц (нуклонов) в ядре. В результате столкновения ядер происходит взаимодействие между элементарными частицами, составляющими ядра. Энергия, выделяющаяся в реакциях между элементарными частицами, преобразуется в тепловую энергию жидкости, и ее отводят из зоны обработки с потоком жидкости в распределительную сеть с нагревательными приборами.

Однако наличие ряда рабочих камер, соединенных последовательно между собой и с тепловой нагрузкой, приводит к тому, что активаторы (рабочие колеса с роторами и статорами второй ступени и далее) и распределительная сеть с нагревательными приборами испытывают разрушающее воздействие кавитации при схлопывании кавитационных пузырьков на их поверхностях. Это значительно снижает ресурс работы теплогенератора и делает его непригодным для эксплуатации в системах теплоснабжения.

Известен также роторный насос-теплогенератор (Патент РФ №2159901, М. Кл. F24J 3/00; F25В 30/00, Роторный насос-теплогенератор / Петраков А.Д., Санников С.Т., Яковлев О.П.; Заявл. 07.08.1998; Опубл. 27.11.2000, бюл. №33). Насос-теплогенератор является наиболее близким техническим решением к заявляемому и принят за прототип. Насос-теплогенератор включает полый корпус с всасывающим патрубком для подвода нагреваемой жидкости и нагнетательным патрубком для отвода нагретой жидкости. Внутри корпуса расположен ротор в виде двухпоточного центробежного колеса с отверстиями по периферии. Концентрично ротору на корпусе расположен статор с отверстиями. Отверстия в роторе выполнены в виде круглоцилиндрических насадков Вентури, а отверстия в статоре - в виде внезапно расширяющихся насадков. Нагнетательный патрубок с регулятором давления соединен с распределительной сетью и нагревательными приборами, а выход нагревательных приборов соединен с всасывающим патрубком теплогенератора. При вращении вала ротора нагреваемая жидкость по всасывающему патрубку полого корпуса поступает во всасывающую полость и, разделившись на два потока, направляется в ротор, выполненный в форме двухпоточного рабочего колеса центробежного насоса. Ротор, вращаясь, воздействует лопатками на жидкость, отбрасывая ее к периферийной части к кольцевому насадку и сообщая потоку жидкости кинетическую энергию. В кольцевых насадках ротора и насадках статора происходит кавитационное "кипение" жидкости, при котором энергия жидкости, приобретенная в результате действия гидравлических ударов, переходит в тепловую, поглощается жидкостью и далее может использоваться для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных помещений, а также для нагрева жидкостей в технологических процессах.

Конструкция теплогенератора направлена на упрощение устройства, а также интенсификацию процесса нагрева жидкости за счет увеличения частоты гидравлических ударов и обеспечение устойчивой гидродинамической кавитации не только в отверстиях статора, но и ротора. Однако статор и распределительная сеть испытывают разрушающее воздействие кавитации при схлопывании кавитационных пузырьков на их поверхностях, а цилиндрическая форма отверстий в статоре и роторе не позволяет обеспечивать высокую скорость потока жидкости, соответственно и высокую эффективность гидродинамической кавитации. Кроме того, гидроакустическая кавитация не возникает вследствие того, что большая часть кавитационных пузырьков схлопывается на поверхности насадок.

Задача настоящего изобретения - повышение надежности работы теплогенератора и повышение энергетической эффективности преобразования кинетической энергии движущегося потока жидкости в теплоту.

Применение предлагаемой конструкции кавитационного теплогенератора позволит повысить надежность работы теплогенератора и энергетическую эффективность преобразования кинетической энергии движущегося потока жидкости в теплоту.

Для решения поставленной задачи предлагается кавитационный теплогенератор, включающий полый корпус с крышкой, всасывающий патрубок для подвода нагреваемой жидкости и нагнетательный патрубок для отвода нагретой жидкости, ротор, расположенный внутри корпуса, выполненный в виде центробежного колеса с отверстиями по периферии, статор, установленный коаксиально ротору, регулятор давления на выходе из теплогенератора и нагнетательный орган на входе, причем выход теплогенератора соединен с распределительной сетью и отопительными приборами, а выход сети замкнут на вход теплогенератора, входной патрубок установлен на крышке корпуса вдоль оси, а выходной патрубок на корпусе установлен, например, по касательной к цилиндрической поверхности корпуса, ротор и статор выполнены цилиндрическими, отверстия на цилиндрических поверхностях ротора и статора выполнены, например, в виде радиальных прорезей, вытянутых вдоль оси вращения, статор закреплен на крышке корпуса с входным патрубком и расположен внутри ротора, нагнетательный патрубок соединен с регулятором давления, регулятор давления на выходе из теплогенератора выполнен в виде резервуара формой тела вращения с вводом по касательной к поверхности, образующей тело вращения, например, в виде гидроциклона, установленного над корпусом на высоте, обеспечивающей необходимое противодавление, а выход гидроциклона соединен с распределительной сетью.

Кроме того, прорези на цилиндрической поверхности ротора выполнены под углом к радиусу в сторону, противоположную направлению вращения. Выполнение статора и ротора цилиндрическими, отверстий на цилиндрических поверхностях статора и ротора в виде радиальных прорезей, вытянутых вдоль оси вращения, известно в науке и технике (Балабудкин М.А. Роторно-пульсационные аппараты в химико-фармацевтической промышленности. - М.: Медицина, 1983. - С.30-31). Пространственное расположение статора внутри ротора неизвестно для роторно-пульсационных теплогенераторов. Выполнение регулятора давления на выходе из теплогенератора в виде гидроциклона, установленного над корпусом, неизвестно в науке и технике. Закрепление статора на крышке корпуса с входным патрубком, соединение нагнетательного патрубка с регулятором давления, а выхода гидроциклона с распределительной сетью известно. Однако все вышеперечисленные признаки в заявленной совокупности проявляют новые свойства, заключающиеся:

а) в вынесении зоны схлопывания кавитационных пузырьков с поверхностей статора в объем жидкости, что дает повышение надежности работы теплогенератора и повышение энергетической эффективности за счет сложения гидродинамической и акустической кавитаций;

б) в защите распределительной сети и отопительных приборов от разрушающего действия кавитационной эрозии путем принудительного увеличения траектории движения кавитационных пузырьков в гидроциклоне.

Таким образом, технический результат, ожидаемый от использования изобретения, заключается в повышении надежности работы теплогенератора и распределительной сети и повышении энергетической эффективности преобразования кинетической энергии движущегося потока жидкости в теплоту.

Указанный результат достигается тем, что у заявленного технического решения появляются свойства, не равные сумме известных свойств:

а) размещение статора внутри ротора приводит к тому, что пазы статора обтекаются жидкостью в "мягком" режиме, при низкой относительной скорости жидкости (за счет того, что обтекание ламинарное под напором на входе в теплогенератор), без образования нестационарной кавитации и вследствие этого не испытывают разрушающего действия кавитационной эрозии;

б) рабочая жидкость, попадая в пазы ротора, разгоняется в пазах центробежными силами (создаются условия для разрыва сплошности жидкости, возникает гидродинамическая кавитация и образуются кавитационные пузырьки) и отбрасывается в пространство корпуса, скорости от центробежных сил и от входного напора складываются, и кавитационные пузырьки вместе с потоком отбрасываются от наружной поверхности ротора, схлопываясь в окружающем пространстве и не подвергая кавитационной эрозии поверхность ротора;

в) выполнение отверстий на цилиндрических поверхностях статора и ротора в виде радиальных прорезей, вытянутых вдоль оси вращения, позволяет увеличить их живое сечение и количество на поверхности ротора и статора, а значит частоту и амплитуду пульсации потока жидкости, что приводит к повышению энергетической эффективности процесса выделения теплоты при гидродинамической кавитации, которая возникает в объеме корпуса при определенной частоте пульсации (Патент РФ №2116583, М. Кл. F24J 3/00, Способ нагрева жидкости / Порсев Е.Г.; Заявл. 29.05.96; Опубл. 27.07.98, бюл. №21);

г) выполнение регулятора давления на выходе из теплогенератора в виде резервуара, установленного выше корпуса, позволяет увеличить противодавление на выходе теплогенератора и тем самым ускорить схлопывание кавитационных пузырьков, что повышает энергетическую эффективность, а выполнение резервуара в виде гидроциклона позволяет увеличить длину траектории движения жидкости в теплогенераторе и тем самым заставляет схлопнуться все кавитационные пузырьки до входа в распределительную сеть, что однозначно предохраняет ее от кавитационной эрозии;

д) выполнение прорезей на цилиндрической поверхности ротора под углом к радиусу в сторону, противоположную направлению вращения, позволяет получать дополнительный напор в системе за счет увеличения центробежных сил, воздействующих на жидкость в объеме ротора, и соответственно повысить разрежение на входе в ротор, что усилит гидродинамическую кавитацию (увеличение количества кавитационных пузырьков) и повысит энергетическую эффективность.

На фиг.1 представлена схема теплогенератора с распределительной сетью и отопительными приборами, на фиг.2 представлен чертеж (разрез) теплогенератора с роторно-статорной парой, на фиг.3 представлен чертеж ротора с радиальными прорезями, на фиг.4 - с наклонными прорезями.

Кавитационный теплогенератор включает полый корпус 1 с крышкой 2, всасывающим патрубком 3 для подвода нагреваемой жидкости и нагнетательным патрубком 4 для отвода нагретой жидкости, расположенный внутри корпуса ротор 5 в виде центробежного колеса с отверстиями по периферии, статор 6, установленный коаксиально ротору 5, регулятор давления 7 на выходе из теплогенератора и нагнетательный орган 8 на входе, входной патрубок 3 установлен на крышке 2 корпуса 1 вдоль оси, а выходной патрубок 4 на корпусе 1 установлен по касательной к поверхности корпуса, выход теплогенератора после регулятора давления 7 соединен с распределительной сетью 9 и отопительными приборами 10, выход с отопительных приборов замкнут на вход теплогенератора 3, ротор 5 и статор 6 выполнены цилиндрическими, отверстия на цилиндрических поверхностях 11 ротора и статора выполнены в виде радиальных прорезей, вытянутых вдоль оси вращения, статор 6 закреплен на крышке 2 корпуса с входным патрубком 3 и расположен внутри ротора 5, нагнетательный патрубок 4 соединен с регулятором давления - резервуаром 7, который выполнен в виде гидроциклона. Для управления и контроля параметров работы теплогенератор снабжен шкафом управления 12, содержащим пускозащитную аппаратуру и приборы для контроля теплофизических и электрических параметров. В распределительную сеть 9 врезаны датчики температуры 13 и расходомер 14. Для вращения ротора предусмотрен привод с электродвигателем 15.

Кавитационный теплогенератор работает следующим образом. Включают электродвигатель 15 привода активатора, предварительно заполнив систему рабочей жидкостью. Ротор 5 начинает вращаться и подавать жидкость в пространство корпуса 1 и в выходной нагнетательный патрубок 4 центробежными силами цилиндрической части и лопатками нагнетателя 8, тем самым создает разрежение на входе в рабочей камере и во входном патрубке 3. Рабочая жидкость, проходя в пазах 12 ротора 5, разгоняется центробежными силами и отбрасывается в полость внутри корпуса 1, так как скорости от центробежных сил и от входного напора складываются, и кавитационные пузырьки, которые возникают при гидродинамической кавитации, при отрыве жидкости от поверхности 11 ротора вместе с потоком жидкости отбрасываются от наружной поверхности 11 ротора, схлопываясь в объеме жидкости и выделяя при этом теплоту внутри корпуса, что предохраняет рабочую поверхность ротора от кавитационной эрозии. Пульсация потока жидкости при совпадении прорезей 12 статора 6 и ротора 5 приводит к возникновению мощного акустического поля внутри рабочего объема и соответственно к интерференции акустических волн, в пучностях которой возникает гидроакустическая кавитация, при которой также образуются кавитационные пузырьки, которые схлопываются внутри гидроциклона 7, нагретая жидкость поступает в распределительную сеть 9 и к нагревательным приборам 10. После того как рабочая жидкость отдает теплоту нагревательным приборам, она поступает на вход 3 теплогенератора, и цикл повторяется. Шкаф управления и контроля 12 обеспечивает управление процессом отопления, получая сигналы от датчиков температуры 13 и расходомера 14.

Применение предлагаемого кавитационного теплогенератора позволит повысить надежность работы теплогенераторов кавитационного типа и отопительных сетей за счет предохранения их от разрушения кавитационной эрозией и устранения отложения солей жесткости в трубопроводах и повысить эффективность преобразования кинетической энергии движущегося потока жидкости в теплоту за счет сложения эффектов тепловыделения от гидродинамической и гидроакустической кавитаций.

Изобретение относится к кавитационным теплогенераторам и может быть использовано преимущественно в автономных замкнутых системах теплоснабжения, а также для нагрева воды в системах горячего водоснабжения и нагрева жидкостей в технологических системах. Кавитационный теплогенератор включает полый корпус с крышкой, всасывающий патрубок для подвода нагреваемой жидкости и нагнетательный патрубок для отвода нагретой жидкости, расположенный внутри корпуса ротор в виде центробежного колеса с отверстиями по периферии, статор, установленный коаксиально ротору, регулятор давления на выходе из теплогенератора и нагнетательный орган на входе, причем выход теплогенератора соединен с распределительной сетью и отопительными приборами, выход сети замкнут на вход теплогенератора, ротор и статор выполнены, например, цилиндрическими, отверстия на цилиндрических поверхностях ротора и статора выполнены, например, в виде радиальных прорезей, вытянутых вдоль оси вращения, статор закреплен на крышке корпуса с входным патрубком и расположен внутри ротора, регулятор давления на выходе из теплогенератора выполнен в виде резервуара, например гидроциклона, установленного над корпусом, выход гидроциклона соединен с распределительной сетью. Такое выполнение теплогенератора позволит повысить надежность его работы и энергетическую эффективность преобразования кинетической энергии движущегося потока жидкости в теплоту. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Кавитационный теплогенератор, включающий полый корпус с крышкой, всасывающий патрубок для подвода нагреваемой жидкости и нагнетательный патрубок для отвода нагретой жидкости, ротор, расположенный внутри корпуса, выполненный в виде центробежного колеса с отверстиями по периферии, статор, установленный коаксиально ротору, регулятор давления на выходе из теплогенератора и нагнетательный орган на входе, причем выход теплогенератора соединен с распределительной сетью и отопительными приборами, а выход сети замкнут на вход теплогенератора, входной патрубок установлен на крышке корпуса вдоль оси, а выходной патрубок на корпусе установлен, например, по касательной к цилиндрической поверхности корпуса, отличающийся тем, что ротор и статор выполнены цилиндрическими, отверстия на цилиндрических поверхностях ротора и статора выполнены, например, в виде радиальных прорезей, вытянутых вдоль оси вращения, статор закреплен на крышке корпуса с входным патрубком и расположен внутри ротора, нагнетательный патрубок соединен с регулятором давления, регулятор давления на выходе из теплогенератора выполнен в виде резервуара формой тела вращения с вводом по касательной к поверхности, образующей тело вращения, например, в виде гидроциклона, установленного над корпусом на высоте, обеспечивающей необходимое противодавление, а выход гидроциклона соединен с распределительной сетью.2. Кавитационный теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что прорези на цилиндрической поверхности ротора выполнены под углом к радиусу в сторону, противоположную направлению вращения.