МОБИЛЬНЫЙ ТЕПЛОВОЙ ПУНКТ Российский патент 2009 года по МПК F24J3/00 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для получения тепловой энергии в промышленности, жилищно-коммунальной отрасли, в сельском хозяйстве, строительстве, транспорте и других областях.

Известен способ получения энергии, включающий подачу вещества в жидкой фазе в зону обработки и создание в веществе кавитационных пузырьков, при этом кавитационные пузырьки в веществе создают путем создания периодически изменяющегося давления, имеющего постоянную и переменную составляющие (патент RU №2054604, кл. F24J 3/00, 02.07.1993).

Также известен способ нагрева жидкости, включающий обработку жидкости акустическим полем, вырабатываемым, например, в роторно-пульсационным аппарате, при этом обработку проводят в диапазоне частоты пульсаций потока жидкости через аппарат 3,8-4,8 кГц (патент RU №2116583, кл. F24J 3/00, 26.01.1998).

Также известен способ получения энергии и резонансный насос - теплогенератор, предназначенные для получения тепловой энергии без сгорания органического топлива (патент RU №2142604, кл. F24J 3/00, 26.01.1998).

Также известен приводной кавитационный теплогенератор, который может быть использован для систем отопления и содержащий корпус, в котором расположены относительно подвижные рабочие органы, вход и выход которых гидравлически сообщены посредством циркуляционного канала с дросселирующим элементом. Рабочие органы выполнены в виде оппозитно расположенных дисков, установленных с гарантированным зазором между их торцами, снабженными прилегающими между собой канавками, расположенными на взаимодействующих рабочих торцах дисков наклонно друг к другу (патент RU №2201562, кл. F24J 3/00, 19.05.1999).

Также известно нагревательное устройство, содержащее напорную и обратную линии, первая из которых выполнена в виде, по крайней мере, двух параллельных ветвей, снабженных каждая гидродинамическим теплогенератором кавитационного типа. Напорная ветвь и обратная линия соединены между собой через насос, а также с прямой и обратной магистралями потребителя тепла с образованием внешнего циркуляционного контура. Напорная линия соединена с обратной линией переточным трубопроводом с регулирующими вентилями, в зоне между которыми к трубопроводу подключена одна из двух параллельных ветвей для образования внутреннего циркуляционного контура. Оптимальное распределение расходов нагревательной среды между контурами обеспечивает эффективный нагрев теплоносителя до заданных температур (патент RU №2096695, кл. F24J 3/00, 12.02.1997).

Также известно устройство для нагрева жидких и газовых сред, состоящее из источника акустических колебаний, замкнутого контура циркулирующей массы теплоносителя, размещенного на выходе нагнетателя высокочастотного акустического фильтра, представляющего собой акустический волновод в виде напорного трубопровода, узла резонансной настройки в виде волнового отражателя с регулируемой щелью, при этом волновой отражатель выполнен в виде пластины, а регулируемая щель снабжена регулятором (патент RU №2231003, кл. F24J 3/00, 10.09.2002).

Недостатками известных технических решений являются узкий диапазон функциональных возможностей, завышенные габаритно-массовые характеристики и уровень энергопотребления при заданной гидравлической мощности.

Также известен способ нагрева жидких и газовых сред, включающий нагрев циркулирующей массы, при этом нагрев осуществляют посредством формирования в циркулирующей массе рабочей стоячей волны высокочастотных акустических колебаний и настройки ее через акустический фильтр на рабочий резонансный обертон fj основной частоты fo характеристических нормальных колебаний молекулы теплоносителя. Способ реализуется техническим решением, в котором на волноводе, выполненном в виде трубы, расположен источник акустических колебаний, контактирующий с водной средой объема. На противоположной стороне волновода находится диск отражатель, которым регулируется кольцевой щелевой зазор Д. Эти элементы образуют высокочастотный акустический фильтр, обеспечивающий формирование стоячей акустической волны, а кольцевой щелевой зазор А выдает расчетные рабочие обертоны для резонансного возбуждения fo через ее обертоны fj. В качестве теплоносителя использована вода, занимающая весь внутренний объем. В качестве источников акустических колебаний, технические параметры которых позволяют обеспечить резонансное возбуждение молекул рабочей среды, могут быть использованы известные устройства гидродинамических и газоструйных ультразвуковых генераторов. В устройстве за счет циркуляции теплоносителя осуществляется его многократный нагрев (патент RU №2231002, кл. F24J 3/00, 10.09.2002).

Недостатками данного технического решения являются завышенные габаритно-массовые характеристики и уровень энергопотребления при заданной гидравлической мощности, а также узкий диапазон функциональных возможностей при решении задачи получения тепловой энергии.

Также известен способ получения тепла, включающий подачу воды в вихревой теплогенератор, формирование вихревого потока воды в нем и обеспечение кавитационного режима прохождения вихревого потока при резонансном усилении возникающих в этом потоке звуковых колебаний с дальнейшим отводом получаемого в вихревом теплогенераторе тепла к потребителю, при этом предварительный нагрев воды осуществляется путем ее циркуляции в замкнутом контуре, который проходит через тепловой генератор, без отвода тепла к потребителю. После предварительного нагрева воды ее напор уменьшают путем уменьшения частоты вращения вала электродвигателя насоса. При этом одновременно изменяют частоту собственных колебаний резонирующих элементов тормозного устройства путем изменения их активных длин (патент UA №17299, кл. F24J 3/00, 15.09.2006).

Недостатками известного способа являются сложность оптимизации как процесса получения тепловой энергии, так и конструктивного решения устройства, реализующего способ, а также узкий диапазон функциональных возможностей и сложность обеспечения при уменьшении потребляемой электрической мощности высоких значений теплового эффекта, снижения металлоемкости и повышения технологичности конструкции.

Известно устройство для получения тепловой энергии, выполненное в виде кавитационного теплового генератора, содержащего полый корпус с патрубком подвода, оснащенный ускорителем движения жидкости и тормозным устройством, при этом ускоритель движения жидкости выполнен в виде проточной камеры с конфузором и патрубком отвода обработанной жидкости, внутри проточной камеры установлен рабочий элемент в виде суперкавитационных лопаток, которые по наружной поверхности охвачены коаксиальным цилиндром, на наружной поверхности которого расположены суперкавитационные лопатки, направление закручивания потока которых противоположно направлению закручивания потока внутренними суперкавитационными лопатками, а тормозное устройство выполнено в виде дискового прерывателя потока с приводом, расположенным за рабочим элементом по ходу потока, патрубок отвода соединен с аккумулятором тепла, выход которого соединен с потребителем тепловой энергии и насосом, выход которого соединен через корпус с патрубком подвода (патент RU №2131094, кл. F25B 29/00, 27.05.1999).

Недостатками данного устройства для получения тепловой энергии являются повышенная металлоемкость конструкции, низкие показатели технологичности и высокие значения потребляемой электрической мощности, а также узкий диапазон функциональных возможностей и сложность оптимизации процесса получения тепловой энергии.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является мобильная автономная система теплоснабжения, содержащая привод, выполненный в виде дизельного двигателя, к входу которого подсоединен теплообменник-утилизатор отходящих газов, подключенный выходом через насос к вихревому теплогенератору, а последний выходом подключен к расширительному баку и через потребителей тепловой энергии, например отопительные радиаторы, подключен к входу в теплообменник утилизатор (см. патент на полезную модель RU №30179, кл. F24D 15/00, 20.06.2003).

Данная система может перемещаться и работать автономно, однако данная система имеет относительно высокие значения потребляемой мощности и, соответственно, относительно низкий КПД, а также узкий диапазон функциональных возможностей получения тепловой энергии.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является расширение функциональных возможностей технического решения, оптимизация процесса получения тепловой энергии и конструктивного выполнения мобильного теплового пункта.

Техническим результатом от использования настоящего изобретения являются расширение диапазона функциональных возможностей, снижение габаритно-массовых характеристик и уровней энергопотребления при заданной гидравлической мощности.

Задача решается, а технический результат достигается за счет того, что мобильный тепловой пункт содержит размещенный в контейнере теплогенератор, выполненный в виде установленного в полом цилиндрическом корпусе, по крайней мере, одного диска, кинематически связанного с подключенным к блоку управления приводом вращения, и имеющий входную, снабженную гидродинамическим излучателем и фильтром, и выходную магистрали, сообщенные с полостью корпуса с противоположных сторон диска и расположенные с равным диаметрально противоположным эксцентриситетом от его оси на величину 0,30÷0,35 от диаметра диска, при этом геометрические размеры элементов теплогенератора связаны следующими соотношениями:

D/h1=60÷68, D/h2=650÷700, D/h3=55÷58,

где D и h1 - диаметр и толщина диска соответственно,

h2 - величина зазора между торцевой поверхностью диска и внутренней торцевой поверхностью корпуса,

h3 - величина зазора между боковой поверхностью диска и внутренней боковой поверхностью корпуса,

при этом выходная магистраль сообщена через трехпозиционный переключатель с соединенными параллельно и выполненными с возможностью подключения к потребителю тепловой энергии калориферу и теплообменнику, которые выходом подключены к входу насоса, подключенному выходом к снабженному расширительным баком и предохранительным клапаном и сообщенному с входной магистралью баку-аккумулятору с теплоносителем, величина теплоемкости которого составляет 0,3÷0,003 от величины теплоемкости воды.

Предпочтительно, чтобы

D/L=1,6÷1,65, D/Dвх=D/Dвых=13,2÷13,6,

где L - расстояние между дисками в том случае, если их количество больше единицы, Dвх и Dвых - внутренние диаметры входной магистрали и выходной магистрали соответственно.

Кроме того, в контейнере установлен блок вентиляции.

Кроме того, в контейнере установлен автономный источник питания.

Кроме того, контейнер выполнен утепленным и может быть установлен на шасси автомобиля.

На фиг.1 схематично изображен мобильный тепловой пункт.

На фиг.2 представлен продольный разрез корпуса с установленным в нем диском.

На фиг.3 представлен вид А на фиг.2.

На фиг.4 - графическая зависимость теплового эффекта как функция отношения D/h2.

На фиг.5 - графическая зависимость теплового эффекта как функция отношения D/h3

На фиг.6 - графическая зависимость теплового эффекта как функция отношения D/h1.

На фиг.7 - графическая зависимость теплового эффекта как функция отношения D/m.

(m - расстояние между осью диска и осью входной (выходной) магистрали).

На фиг.8 - значения теплового эффекта, полученные в мобильном тепловом пункте без предварительной обработки жидкости на входе и при неоптимальных параметрах элементов пункта и в мобильном тепловом пункте с предварительной обработкой жидкости на входе и при оптимальных параметрах элементов пункта.

Мобильный тепловой пункт содержит контейнер 1, установленный в нем теплогенератор, содержащий полый цилиндрический корпус 5, образованный цилиндрической обечайкой и фланцами 6, образующими торцевые стенки корпуса 5. Фланцы 6 прижаты к обечайке с помощью стяжек 7. В полости 8 корпуса 5 установлен диск 9, кинематически связанный с подключенным к блоку управления 11 приводом вращения 10. Теплогенератор имеет входную магистраль 2, снабженную гидродинамическим излучателем 3 и фильтром 19, и выходную магистраль 4. Входная 2 и выходная 4 магистрали сообщены с полостью 8 корпуса 5 с противоположных сторон диска 9 и расположены с равным диаметрально противоположным эксцентриситетом m от его оси на величину 0,30÷0,35 от диаметра D диска. Геометрические размеры элементов теплогенератора связаны следующими соотношениями

D/h1=60÷68, D/h2=650÷700, D/h3=55÷58,

где D и h1 - диаметр и толщина диска соответственно,

h2 - величина зазора между торцевой поверхностью диска и внутренней торцевой поверхностью корпуса,

h3 - величина зазора между боковой поверхностью диска и внутренней боковой поверхностью корпуса.

Выходная магистраль 4 сообщена через трехпозиционный переключатель 15 с соединенными параллельно и выполненными с возможностью подключения к потребителю 30 тепловой энергии, калорифером 13 и теплообменником 14, которые выходом посредством магистрали 12 подключены к входу насоса 16, подключенного выходом к снабженному расширительным баком 18 и предохранительным клапаном 20 к баку-аккумулятору 17, заполненному теплоносителем, величина теплоемкости которого составляет 0,3÷0,003 от величины теплоемкости воды. Бак-аккумулятор 17, в свою очередь, сообщен с входной магистралью 2. Конструкция мобильного теплового пункта позволяет выполнить ее в блочно-модульном исполнении, когда отдельные конструктивные элементы теплового пункта выполнены в виде взаимозаменяемых блоков.

При этом в мобильном тепловом пункте

D/L=1,6÷1,65, D/Dвх=D/Dвых=13,2÷13,6,

где L - расстояние между дисками в том случае, если их количество больше единицы, Dвх и Dвых - внутренние диаметры входной магистрали и выходной магистрали соответственно.

Мобильный тепловой пункт содержит измерительную систему, включающую в себя датчики давления 25 и температуры 26, установленные на баке-аккумуляторе 17, входной магистрали 2 и на калорифере 13. Диск или диски 9 могут быть выполнены металлическими или неметаллическими, сплошными или несплошными, гладкими или с переменной шероховатостью по своей поверхности. Площадь внутреннего сечения выходной магистрали 4 выполняется равной площади внутреннего сечения входной магистрали 2. В устройстве для получения тепловой энергии установлены задвижки (вентили) 21 и 22, а также заливочные 23, 31 и сливная воронки 24. В качестве стяжек 7 использованы шпильки с гайками 32, взаимодействующими с резьбовыми участками, выполненными на концах шпилек. Мобильность теплового пункта обеспечивается снабжением контейнера 1 колесами 27 или установкой контейнера 1 на шасси автомобиля. Мобильный тепловой пункт может быть выполнен с установленными в контейнере блоком вентиляции 33, автономным источником 34 питания, электрически связанным с соответствующими элементами блочного пункта, и утепленным, что обеспечивается утеплителем 35.

Указанные выше наиболее оптимальные соотношения размеров элементов конструкции были получены в результате проведенного исследования и использованы при проектно-конструкторских работах в процессе создания мобильного теплового пункта. При сравнении полученных результатов использованы зависимости теплового эффекта Q, т.е. условной величины, характеризующей количество получаемого тепла в зависимости от диаметра D и толщины h1 диска 9, величины зазора h2 между торцевой поверхностью диска 9 и внутренней торцевой поверхностью корпуса 5, величины зазора h3 между боковой поверхностью диска 9 и внутренней боковой поверхностью корпуса 5, расстояния L между дисками 9 в том случае, если их количество больше единицы, величин Dвх и Dвых внутренних диаметров входной 2 и выходной 4 магистралей, числа оборотов диска 9, материала корпуса 5 и диска 9. Данные зависимости получены экспериментально при использовании методов физического и натурного моделирования, а также методов оптимального планирования эксперимента. Полученные в результате обработки данные позволили провести анализ целевой функции, в качестве которой выбран тепловой эффект устройства, и выбрать оптимальные параметры его элементов (фиг.4-7). На фиг.8 представлены значения теплового эффекта, полученные без предварительной обработки жидкости на входе с помощью гидродинамического излучателя и при неоптимальных геометрических размерах, и с предварительной обработкой жидкости с помощью гидродинамического излучателя на входе и при оптимальных геометрических размерах элементов конструкции блочно-модульного теплового пункта.

Предварительный подбор характеристик гидродинамического излучателя 3 и его отработка проводились на испытательном стенде, позволяющем контролировать состояние теплоносителя на входе и выходе гидродинамического излучателя 3 перед поступлением в полость 8. Для заданного значения гидравлической мощности, определяемого величинами давления и расхода жидкости, изменялись конструктивные параметры гидродинамического излучателя 3, доводя состояние теплоносителя на его выходе до псевдокипения. В случае недостижения этого состояния изменялись параметры гидродинамического излучателя 3 и повторяли процесс снова. В конечном итоге в конструкцию пункта для получения тепловой энергии устанавливается гидродинамический излучатель 3, конструктивные параметры которого обеспечивают состояние псевдокипения теплоносителя на его выходе, а следовательно, и на входе в полость 8 корпуса 5.

Мобильный тепловой пункт функционирует следующим образом.

Теплоноситель через заливочную воронку 31 заливается в калорифер 13, после чего через заливочную воронку 23 заливается в емкость бака-аккумулятора 17. Перед включением рабочего режима теплового пункта после включения питания включается насос 16 и после работы в течение 30 минут в бак-аккумулятор 17 доливается теплоноситель. При функционировании системы в рабочем режиме после включения питания по командам с блока управления 11 включаются подключаемый к системе насос 16 и привод 10 вращения диска 9. Номинальное значение количества оборотов привода 10 составляет 3000 об/мин. Насос 16 обеспечивает на входе входной магистрали 2 давление 4-7 атм. С выхода входной магистрали 2 теплоноситель поступает в гидродинамический излучатель 3, приводящий теплоноситель в состояние псевдокипения, при котором в теплоносителе происходит интенсивное появление пузырьков. В этом состоянии теплоноситель поступает в полость 8 корпуса 5 и после взаимодействия с диском 9 или системой дисков 9 нагретый теплоноситель через выходную магистраль 4 поступает через трехпозиционный переключатель 15 на калорифер 13 и/или теплообменник 14. Калорифер 13 подключен к потребителю 30 тепловой энергии посредством магистрали 29, выполненной, например, в виде гибкого трубопровода, а теплообменник 14 сообщается с потребителем 30 посредством магистрали 28. Передача потребителю 30 тепловой энергии регулируется трехпозиционным переключателем 15, который может включать во внешний (связанный с потребителем тепловой энергии) контур циркуляции теплоносителя калорифер 13 и теплообменник 14 как вместе, так и по отдельности. Производительность калорифера 13 по воздуху составляет 20000 м³/час, производительность по теплу - 220,4 кВт/час. Потребляемая мощность электродвигателя вентилятора 2,2 кВт. Вентилятор калорифера включается при нагреве теплоносителя до температуры +50°С. Температура воздуха при выходе из калорифера 13 находится в диапазоне +(49÷95)°С. Прохождение циркулирующего в мобильном тепловом пункте теплоносителя регулируется задвижкой (вентилем) 21, а заполнение бака-аккумулятора 17 теплоносителем и слив теплоносителя обеспечиваются заливочной и сливной воронками 23 и 24. С баком-аккумулятором 17 сообщается расширительный бак 18, прохождение теплоносителя в который обеспечивается задвижкой (вентилем) 22. В баке-аккумуляторе 17 предусмотрен предохранительный клапан 20. Датчиками давления 25 и температуры 26, установленными на баке-аккумуляторе 17, входной магистрали 2 и на калорифере 13 контролируются давление и температура в процессе работы элементов теплового пункта. Аварийное отключение системы происходит при снижении давления теплоносителя в контуре ниже 1,8 кгс/см² и при превышении установленного значения температуры воздуха на выходе калорифера 13 или теплообменника 14.

Результаты проведенных экспериментальных исследований показали, что вязкость теплоносителя в результате обработки его в гидродинамическом излучателе 3 снижается на 15%. При этом обеспечивается снижение энергопотребления и металлоемкости элементов конструкции мобильного теплового пункта. Для выбранной мощности привода 10, например, 55 кВт при оптимальной прокачке, например, 3 м³/час температура теплоносителя поднимается на 14-20°С за один цикл. Максимальная температура жидкого теплоносителя составляет 95°С. Давление на выходе из корпуса 5 составляет 2-7 атм. Устройство функционирует при температуре окружающей среды не более 40°С. Блок вентиляции 33, автономный источник питания 34 и утеплитель 35 (его фрагмент показан на фиг.1) позволяют в автономном режиме вести необходимые регламентные и подготовительные работы в контейнере 1 при использовании мобильного теплового пункта в различных климатических условиях.

Мобильный тепловой пункт функционирует при сниженных значениях потребляемой электрической мощности и имеет широкий диапазон функциональных возможностей, обеспечивая при этом высокие значения теплового эффекта при снижении металлоемкости элементов конструкции и повышении ее технологичности.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для получения тепловой энергии в промышленности, жилищно-коммунальной отрасли и других областях. Мобильный тепловой пункт содержит размещенный в контейнере теплогенератор, выполненный в виде установленного в полом цилиндрическом корпусе диска, кинематически связанного с подключенным к блоку управления приводом вращения и имеющий входную, снабженную гидродинамическим излучателем и фильтром, и выходную магистрали, сообщенные с полостью корпуса с противоположных сторон диска и расположенные с равным диаметрально противоположным эксцентриситетом от его оси на величину 0,30-0,35 от диаметра диска, геометрические размеры элементов теплогенератора связаны заданными соотношениями, при этом выходная магистраль сообщена через трехпозиционный переключатель с соединенными параллельно и выполненными с возможностью подключения к потребителю тепловой энергии калориферу и теплообменнику, которые выходом подключены к входу насоса, подключенному выходом к снабженному расширительным баком и предохранительным клапаном и сообщенному с входной магистралью баку-аккумулятору с теплоносителем. В результате достигается снижение потребляемой электрической мощности и расширение диапазона функциональных возможностей при обеспечении высоких значений теплового эффекта, снижении металлоемкости элементов конструкции и повышении ее технологичности. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Мобильный тепловой пункт, содержащий размещенный в контейнере теплогенератор, выполненный в виде установленного в полом цилиндрическом корпусе, по крайней мере, одного диска, кинематически связанного с подключенным к блоку управления приводом вращения, и имеющий входную, снабженную гидродинамическим излучателем и фильтром, и выходную магистрали, сообщенные с полостью корпуса с противоположных сторон диска и расположенные с равным диаметрально противоположным эксцентриситетом от его оси на величину 0,30-0,35 от диаметра диска, при этом геометрические размеры элементов теплогенератора связаны следующими соотношениями:
D/h1=60÷68, D/h2=650÷700, D/h3=55÷58,
где D и h1 - диаметр и толщина диска соответственно;
h2 - величина зазора между торцевой поверхностью диска и внутренней торцевой поверхностью корпуса;
h3 - величина зазора между боковой поверхностью диска и внутренней боковой поверхностью корпуса,
при этом выходная магистраль сообщена через трехпозиционный переключатель с соединенными параллельно и выполненными с возможностью подключения к потребителю тепловой энергии калориферу и теплообменнику, которые выходом подключены к входу насоса, подключенному выходом к снабженному расширительным баком и предохранительным клапаном и сообщенному с входной магистралью баку-аккумулятору с теплоносителем, величина теплоемкости которого составляет 0,3÷0,003 от величины теплоемкости воды.

2. Мобильный тепловой пункт по п.1, в котором
D/L=1,6÷1,65, D/Dвx=D/Dвыx=13,2÷13,6,
где L - расстояние между дисками в том случае, если их количество больше единицы;
Dвx и Dвых - внутренние диаметры входной магистрали и выходной магистрали соответственно.

3. Мобильный тепловой пункт по п.1, в котором в контейнере установлен блок вентиляции.

4. Мобильный тепловой пункт по п.1, в котором в контейнере установлен автономный источник питания.

5. Мобильный тепловой пункт по п.1, в котором контейнер выполнен утепленным и установлен на шасси автомобиля.