ПРОТОЧНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ РОТОРНОГО ТИПА Российский патент 2017 года по МПК F24J3/00 

Область техники

Изобретение относится к теплотехнике и может использоваться для нагрева жидкости для отопления и горячего водоснабжения стационарных и временно развернутых помещений любого назначения, не имеющих централизованных источников энергии, в т.ч. в походных или аварийных условиях.

Известный уровень техники

Известен проточный нагреватель роторного типа (см. патент RU № 2290573, М. кл. F24J 3/00, опубл. 27.12.2006 г.), содержащий привод в виде электродвигателя, теплогенератор, состоящий из статора в виде корпуса с крышкой, имеющего цилиндрическую полость, в которую с зазором установлен ротор, закрепленный на валу электродвигателя и выполненный в виде диска с рабочими поверхностями, снабженными глухими отверстиями, входного и выходного каналов для подвода и отвода жидкости. Жидкость во входной канал подается под давлением от источника давления. На внутренней рабочей поверхности корпуса статора и рабочей поверхности крышки выполнены глухие отверстия, расположенные оппозитно друг другу.

Недостатками известного проточного нагревателя являются невысокая эксплуатационная надежность из-за быстрого износа статора и диска ротора, а также недостаточная теплопроизводительность и значительные тепловые потери при работе нагревателя, обусловленные тем, что корпус статора не имеет тепловой изоляции, что приводит к дополнительным потерям тепла, вырабатываемого теплогенератором, в результате интенсивного охлаждения корпуса и крышки статора окружающим атмосферным воздухом.

Известен выбранный в качестве прототипа проточный нагреватель роторного типа (см. патент RU № 2347155, М. кл. F24J 3/00, опубл. 20.02.2009 г.), включающий электродвигатель и герметичную емкость с жидкостью, снабженную входным и выходным каналами и содержащую неподвижный корпус с цилиндрической полостью, связанной с герметичной емкостью и размещенной между оппозитно расположенными рабочими внутренними поверхностями корпуса, в которой размещен ротор в виде диска с рабочими поверхностями, установленный на валу электродвигателя, при этом на рабочих поверхностях диска и корпуса размещены элементы для генерирования процесса кавитации в рабочем объеме жидкости, заполняющей цилиндрическую полость. Элементы для генерирования процесса кавитации в рабочем объеме жидкости, размещенные на рабочих внутренних поверхностях корпуса и диска в виде радиальных рядов, выполнены в виде глухих отверстий, расположенных оппозитно друг другу.

Оснащение проточного нагревателя неподвижным корпусом с цилиндрической полостью, расположенным в герметичной емкости, заполненной жидкостью, обеспечивает тепловую изоляцию рабочего объема жидкости, который нагревается в цилиндрической полости за счет процесса кавитации. При этом герметичная емкость с жидкостью выполняет роль «водяной рубашки» для рабочего объема жидкости, содержащегося в цилиндрической полости, что предотвращает вынос тепла за счет теплопередачи из жидкости, нагреваемой в цилиндрической полости, в окружающую среду.

Недостатком известного проточного нагревателя является низкая эксплуатационная надежность, связанная с быстрым износом элементов для генерирования процесса кавитации в рабочем объеме жидкости, установленных на рабочих поверхностях корпуса и диска ротора.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание проточного нагревателя роторного типа, обладающего высокой теплопроизводительностью и надежностью, за счет повышения износостойкости узлов и элементов, обеспечивающих процесс генерирования кавитации.

Для решения поставленной задачи в известном проточном нагревателе роторного типа, включающем электродвигатель и герметичную емкость с жидкостью, снабженную входным и выходным каналами и содержащую неподвижный корпус с цилиндрической полостью, связанной с герметичной емкостью и размещенной между оппозитно расположенными рабочими внутренними поверхностями корпуса, в которой размещен ротор в виде диска с рабочими поверхностями, установленный на валу электродвигателя, при этом на рабочих поверхностях диска и корпуса размещены элементы для генерирования процесса кавитации в рабочем объеме жидкости, заполняющей цилиндрическую полость, согласно изобретению каждый элемент для генерирования процесса кавитации выполнен в виде сопла, тангенциально расположенного относительно оси вращения ротора и установленного на соответствующей рабочей поверхности диска на расстоянии (A_i) и на рабочей внутренней поверхности корпуса на расстоянии (A'_i) от оси ротора, при этом величины (A_i) и (А'i) определяются следующими зависимостями:

0,1D₁≤A_i<0,55D₁,

0,1D₂≤A'_i<0,45D₂,

где

A_i - расстояние от оси вращения ротора до i-го сопла, установленного на рабочей поверхности диска, мм;

A'_i - расстояние от оси вращения ротора до i-го сопла, установленного на рабочей поверхности корпуса, мм;

D₁ - диаметр рабочей поверхности диска, мм;

D₂ - диаметр рабочей поверхности корпуса, мм.

Выполнение в качестве элементов для генерирования процесса кавитации сопел, установленных на рабочей поверхности диска на расстоянии (A_i) и на рабочей поверхности корпуса на расстоянии A'_i от оси ротора, определяемых вышеуказанными математическими зависимостями, и расположенных тангенциально относительно оси вращения ротора электродвигателя, позволяет стимулировать эффект трения жидкости между рабочими поверхностями вращающегося диска и рабочими поверхностями неподвижного корпуса, а также позволяет генерировать в указанных соплах процесс кавитации, приводящий к выделению большого количества тепла.

Процесс выделения тепла связан с физическим воздействием поля схлопывающихся кавитационных пузырьков. Выделение тепла происходит в каждом из сопел, расположенных как на рабочих поверхностях вращающегося диска, так и на рабочих поверхностях неподвижного корпуса, в результате преобразования потенциальной энергии пузырьков, накопленной ими в стадии роста (при вхождении в сопло), в кинетическую энергию ударных волн, выделяемую в стадии их схлопывания (на выходе из сопла). При этом кинетическая энергия ударных волн определяет интенсивность кавитации и величину выделяемого при кавитации тепла.

В частном варианте выполнения проточного нагревателя в центральной части корпуса нагревателя выполнено входное отверстие, связывающее герметичную емкость с цилиндрической полостью и расположенное в зоне оси вращения ротора. Размещение входного отверстия в зоне оси вращения ротора позволяет, во-первых, максимально увеличить путь прохождения жидкости под давлением и действием возрастающей центробежной силы в направлении от оси вращения ротора до выходного отверстия, тем самым увеличивая площадь трения жидкости о рабочие поверхности диска и рабочие поверхности корпуса, а следовательно, повысить эффективность нагрева жидкости. Во-вторых, при таком размещении отверстий входного и выходного каналов возникает эффект «продавливания» жидкости, что позволяет при наличии центробежных сил поддерживать в области зазора между рабочими поверхностями корпуса и рабочими поверхностями диска давление порядка 0,03-0,5 МПа (в зависимости от диаметра диска), необходимое для возбуждения в соплах, тангенциально расположенных относительно оси вращения ротора, процесса кавитации, что совместно с работой сил трения приводит к значительному повышению теплопроизводительности проточного нагревателя. В-третьих, при введении жидкости в нагреватель в зоне оси вращения ротора, то есть в области наибольшего разрежения из-за действующих на нагреваемую жидкость центробежных сил, обеспечивается прокачивание жидкости через проточный нагреватель без необходимости повышения давления на входе проточного нагревателя.

В частном варианте выполнения проточного нагревателя по меньшей мере одно сопло для генерирования процесса кавитации выполнено в виде сопла Лаваля. Это позволяет оптимизировать процесс кавитации в рабочем объеме жидкости, заполняющей цилиндрическую полость.

В иных возможных вариантах выполнения проточного нагревателя сопла размещены на каждой рабочей поверхности диска и/или на каждой рабочей поверхности корпуса в радиальном направлении. Это позволяет согласовать (уровнять) давление жидкости с противоположных сторон вращающегося диска, что благоприятным образом сказывается на эксплуатационных характеристиках нагревателя, в частности на его надежности.

Еще в одном варианте выполнения проточного нагревателя сопла для генерирования процесса кавитации размещены на смежных рабочих поверхностях диска и корпуса таким образом, что образуют пространственную шахматную структуру.

В ином варианте выполнения сопла для генерирования процесса кавитации размещены по меньшей мере на одной рабочей поверхности диска или корпуса по спирали Архимеда.

В частном варианте выполнения проточного нагревателя сопла размещены по меньшей мере на одной рабочей поверхности диска или корпуса в виде концентрических колец.

Техническим преимуществом предложенного изобретения является обеспечение высоких эксплуатационных показателей проточного нагревателя роторного типа за счет повышения его теплопроизводительности и надежности.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на Фиг. 1 изображен общий вид проточного нагревателя; на Фиг. 2 - сечение А-А Фиг. 1; на Фиг. 3 - сечение Б-Б Фиг. 1, на Фиг. 4 изображен диск ротора с радиальным расположением элементов для генерирования процесса кавитации; на Фиг. 5 - рабочая поверхность корпуса с радиальным расположением элементов для генерирования процесса кавитации; на Фиг. 6 изображено сопло Лаваля; на Фиг. 7 - вариант взаимного расположения сопел на рабочих поверхностях диска и корпуса с образованием пространственной шахматной структуры.

Проточный нагреватель роторного типа содержит электродвигатель 1, примыкающий к герметичной емкости 2 с жидкостью. Герметичная емкость 2 снабжена входным каналом 3 и выходным каналом 4, а также содержит неподвижный корпус 5 с цилиндрической полостью 6, связанной с герметичной емкостью 2. Цилиндрическая полость 6 размещена между оппозитно расположенными рабочими внутренними поверхностями 7 корпуса 5. В цилиндрической полости 6 на валу электродвигателя 1 установлен ротор, выполненный в виде диска 8 с рабочими поверхностями 9. На рабочих поверхностях 9 диска 8 и рабочих поверхностях 7 корпуса 5 размещены элементы для генерирования процесса кавитации в рабочем объеме жидкости, заполняющей цилиндрическую полость 6.

Каждый элемент для генерирования процесса кавитации выполнен в виде сопла 10, тангенциально расположенного относительно оси вращения ротора и установленного на соответствующей рабочей поверхности 9 диска 8 на расстоянии (А), которое определяется по следующей зависимости:

0,1D₁≤A_i<0,55D₁,

где D₁ - диаметр рабочей поверхности 9 диска 8, мм. Каждый элемент для генерирования процесса кавитации, выполненный в виде сопла 10' , тангенциально расположен относительно оси вращения ротора и установлен на соответствующей рабочей поверхности 7 корпуса 5 на расстоянии (A'_i) от оси ротора, которая определяется следующей зависимостью:

0,1D₂≤A'_i<0,45D₂,

где D₂ - диаметр рабочей поверхности 7 корпуса 5, мм.

В центральной части корпуса 5 выполнено по меньшей мере одно входное отверстие 11, расположенное в зоне оси вращения ротора и связывающее герметичную емкость 2 с цилиндрической полостью 6. В свою очередь цилиндрическая полость 6 имеет по меньшей мере одно выходное отверстие 12, размещенное в периферийной зоне герметичной емкости 2.

В частном варианте выполнения проточного нагревателя по меньшей мере одно сопло 10 или 10' для генерирования процесса кавитации выполнено в виде сопла Лаваля (см. Фиг. 6).

В ином варианте выполнения проточного нагревателя сопла 10 или 10' размещены на каждой рабочей поверхности 9 диска 8 и/или на каждой рабочей поверхности 7 корпуса 5 в радиальном направлении (см. Фиг. 4 и Фиг. 5).

Еще в одном варианте выполнения сопла проточного нагревателя 10 и 10' размещены на смежных рабочих поверхностях диска 8 и корпуса 5 таким образом, что создают пространственную шахматную структуру (см. Фиг. 7).

В другом варианте выполнения проточного нагревателя сопла 10 или 10' размещены по меньшей мере на одной рабочей поверхности диска 8 или корпуса 5 по спирали Архимеда (см. Фиг. 2 и Фиг. 3).

Проточный нагреватель работает следующим образом.

При включении электродвигателя 1 начинает вращаться ротор, выполненный в виде диска 8 с рабочими поверхностями 9, что обеспечивает создание разрежения во входном отверстии 11. Входное отверстие 11 расположено в зоне оси вращения ротора и связывает герметичную емкость 2 с цилиндрической полостью 6, размещенной между оппозитно расположенными рабочими внутренними поверхностями 7 корпуса 5.

За счет созданного разрежения жидкость из герметичной емкости 2 поступает в цилиндрическую полость 6, в которой приводится во вращательное движение в результате вращения диска 8. При этом поток жидкости под воздействием центробежных сил, действующих в цилиндрической полости 6, отжимается к ее периферии, где расположены выходные отверстия 12, через которые нагретая жидкость выводится из цилиндрической полости 6 в герметичную емкость 2.

Процесс кавитации, приводящий к выделению большого количества тепла, связан с прохождением жидкости через сопла 11, генерирующие процесс кавитации в рабочем объеме жидкости, заполняющей цилиндрическую полость 6.

Выделение тепла происходит в каждом из сопел 10 или 10', расположенных как на рабочих поверхностях 9 вращающегося диска 8, так и на рабочих внутренних поверхностях 7 корпуса 5. Этот теплообразующий эффект достигается за счет преобразования потенциальной энергии пузырьков пара, накопленной ими при вхождении в каждое сопло сопел 10 или 10', в кинетическую энергию ударных волн, выделяемую на выходе из них.

Жидкость, попадая в тангенциально расположенные относительно оси вращения ротора сопла 10 или 10', преобразуется в мелкие пузырьки пара, которые под давлением начинают конденсироваться. После чего пузырьки пара схлопываются, что приводит к выделению тепла, в результате чего жидкость в цилиндрической полости 6 нагревается.

Пример

При начальной скорости жидкости в соплах 10 или 10', которая равнялась 0,3-0,6 м/с, исходная температура жидкости в герметичной емкости 2 составляла 15-20°С. Когда за счет вращения диска 8 ротора скорость жидкости в соплах 10 или 10' достигала 20 м/с, это приводило к генерации процесса кавитации в рабочем объеме жидкости, которая заполняла цилиндрическую полость 6, и росту температуры жидкости в герметичной емкости 2. При этом на выходе заявляемого проточного нагревателя температура жидкости поднималась до 80-100°С.

Технический результат

Техническим результатом предложенного изобретения является обеспечение высоких эксплуатационных показателей проточного нагревателя роторного типа за счет повышения его теплопроизводительности и надежности.

Область применения: теплотехника. Проточный нагреватель роторного типа содержит электродвигатель 1, примыкающий к герметичной емкости 2 с жидкостью, которая снабжена входным каналом 3 и выходным каналом 4, и содержит неподвижный корпус 5 с цилиндрической полостью 6, размещенной между оппозитно расположенными рабочими внутренними поверхностями корпуса 5. В цилиндрической полости 6 на валу электродвигателя 1 установлен ротор, выполненный в виде диска 8 с рабочими поверхностями. На рабочих поверхностях диска 8 и рабочих поверхностях корпуса 5 размещены элементы для генерирования процесса кавитации в рабочем объеме жидкости, заполняющей цилиндрическую полость 6. Каждый элемент для генерирования процесса кавитации выполнен в виде сопла, тангенциально расположенного относительно оси вращения ротора и установленного на соответствующей рабочей поверхности диска 8 на расстоянии (A_i) и на соответствующей рабочей поверхности корпуса 5 на расстоянии (A'_i) от оси ротора. Технический результат: обеспечение высоких эксплуатационных показателей проточного нагревателя роторного типа за счет повышения его мощности и надежности. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Проточный нагреватель роторного типа, включающий электродвигатель и герметичную емкость с жидкостью, снабженную входным и выходным каналами и содержащую неподвижный корпус с цилиндрической полостью, связанной с герметичной емкостью и размещенной между оппозитно расположенными рабочими внутренними поверхностями корпуса, в которой размещен ротор в виде диска с рабочими поверхностями, установленный на валу электродвигателя, при этом на рабочих поверхностях диска и корпуса размещены элементы для генерирования процесса кавитации в рабочем объеме жидкости, заполняющей цилиндрическую полость, отличающийся тем, что каждый элемент для генерирования процесса кавитации выполнен в виде сопла, тангенциально расположенного относительно оси вращения ротора и установленного на соответствующей рабочей поверхности диска на расстоянии (А_i) и на рабочей внутренней поверхности корпуса на расстоянии (А'_i) от оси ротора, при этом величины (А_i) и (А'_i) определяются следующими зависимостями:

0,1 D₁≤A_i<0,55 D₁,

0,1 D₂≤A'_i<0,45 D₂,

где

А_i - расстояние от оси вращения ротора до i-го сопла, установленного на рабочей поверхности диска, мм;

A'_i - расстояние от оси вращения ротора до i-го сопла, установленного на рабочей поверхности корпуса, мм;

D₁ - диаметр рабочей поверхности диска, мм;

D₂ - диаметр рабочей поверхности корпуса, мм.

2. Проточный нагреватель роторного типа по п. 1, отличающийся тем, что в центральной части корпуса выполнено входное отверстие, связывающее герметичную емкость с цилиндрической полостью и расположенное в зоне оси вращения ротора.

3. Проточный нагреватель роторного типа по п. 1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере одно сопло для генерирования процесса кавитации выполнено в виде сопла Лаваля.

4. Проточный нагреватель роторного типа по п. 1, отличающийся тем, что сопла для генерирования процесса кавитации размещены на каждой рабочей поверхности диска в радиальном направлении.

5. Проточный нагреватель роторного типа по п. 1, отличающийся тем, что сопла для генерирования процесса кавитации размещены на каждой рабочей поверхности корпуса в радиальном направлении.

6. Проточный нагреватель роторного типа по п. 1, отличающийся тем, что сопла для генерирования процесса кавитации размещены на смежных рабочих поверхностях диска и корпуса таким образом, что образуют пространственную шахматную структуру.

7. Проточный нагреватель роторного типа по п. 1, отличающийся тем, что сопла для генерирования процесса кавитации размещены по меньшей мере на одной рабочей поверхности диска или корпуса по спирали Архимеда.

8. Проточный нагреватель роторного типа по п. 1, отличающийся тем, что сопла для генерирования процесса кавитации размещены по меньшей мере на одной рабочей поверхности диска или корпуса в виде концентрических колец.