КАВИТАЦИОННЫЙ ТЕПЛОГЕНЕРАТОР Российский патент 2024 года по МПК F24V40/00 F22B3/06 F24H4/02 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах теплоснабжения в промышленности, в сельском хозяйстве, в транспортных и бытовых объектах. В частности для эффективного получения высокотемпературного тепла, или в больших объемах низкотемпературного тепла, например, при кавитационной дезинфекции и одновременном нагреве воды в плавательных бассейнах. Кроме того, предлагаемое техническое решение может повысить качество работ, выполняемых с помощью кавитационных технологий - диспергация, гомогенизация, изменение свойств воды, повышение активности биологических систем и т.д.

Известна отопительная установка («Heating installation has heat source formed by conderser of heat pump in which evaporator is acted upon by fuel cell arrangement)), DE 10002942 А1, кл. F24D 3/18, Н01M 8/04, F24H 1/00, опубл.: 20.07.2000) работающая от теплового насоса, у которого конденсатор передает тепло потребителю, а испаритель благодаря контакту с дымовыми газами забирает у них часть их остаточной энергии, которая в противном случае могла бы быть выброшена в окружающую среду. Это позволяет с минимальными усилиями значительно повысить эффективность работы котельной установки в целом.

Однако данная отопительная установка основана на сжигании углеводородного топлива и предполагает выработку дымовых газов, что требует необходимость добычи этого топлива, загрязняет среду обитания.

Известна термогенерирующая установка, содержащая теплообменную обойму с выходным патрубком, внутри которой установлена цилиндрическая вихревая труба с тангенциальным вводом и выходом на одном конце первого цилиндрического корпуса, тормозным устройством и выходом на противоположном конце второго цилиндрического корпуса, центральная часть цилиндрической вихревой трубы выполнена в виде полой спирали с входным и выходным патрубками, витки которой жестко соединены друг с другом (Патент РФ №2 190162, F24D 3/02, приоритет 03.05.2001, опубликовано 27.09.2002, Бюл.№27). Такое выполнение центральной части вихревой трубы обуславливает развитую поверхность теплообмена, следовательно, повышение эффективности теплопередачи от корпуса к жидкости внутри теплообменной обоймы.

Однако, в этом техническом решении вырабатываемая теплота получается от утилизации гидравлических потерь - от трения, внезапного расширения гидравлического потока, его деформации и т.д. то есть в нем имеет место недоиспользование значимого ресурса - периодической кавитации. В этом устройстве отсутствует циклон, поэтому тангенциальный вход осуществляется непосредственно в цилиндрический корпус и размывается по его внутренней цилиндрической поверхности не создавая упругих волн во внутреннем объеме. Следовательно, не создаются кавитационные каверны, не происходит их коллапс, не достигается высокая концентрация энергии, нет взаимных переходов видов энергии, глубокой деформации жидкости и т.д.

В наиболее близком техническом решении, в теплогенераторе и устройстве для нагрева жидкостей (патент РФ №2045715, F25B 29/00, приоритет 26.04.93, опубликовано 10.10.95), включающем насос, ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, центральным отверстием сообщенного с цилиндрическим корпусом, содержащим тормозное устройство и отверстие с выходным патрубком, соединенным с выходным транзитным патрубком и с всасывающим патрубком насоса, напорный патрубок которого связан с тангенциальным входным патрубком циклона, а всасывающий патрубок насоса снабжен входным транзитным патрубком благодаря наличию циклона создаются упругие волны в протекающей по нему жидкости.

Это происходит вследствие того, что движущийся по окружной траектории поток в циклоне блокирован по поперечному сечению с трех сторон и упорядочен. При встрече этого окружного потока с входящим в циклон тангенциальным он периодически пережимает входящий, образуя конкурирующее взаимодействие (Фиг. 1).

Благодаря тому, что оба этих потока в поперечном сечении ограничены каждый с трех сторон, а четвертыми сторонами они периодически пережимают друг друга, их взаимодействие происходит концентрировано, а не размыто, как в случае у вышерассмотренного аналога. В результате за счет образования при взаимодействии потоков периодических сжатий и разрежений циклон в этом случае выполняет функцию жидкостного свистка. Таким образом, рассматриваемое техническое решение обладает дополнительной способностью создавать и излучать в проходящую жидкость акустические (упругие) волны.

Наличие такого обстоятельства обеспечивает этому теплогенератору дополнительный ресурс - создание периодической кавитации. Так в вакуумметрической фазе периодического процесса на каждом зародыше (инородные включения, микропузырьки и т.д.) вода разрывается с образованием и последующим ростом кавитационных каверн (Фиг. 2). В манометрическую фазу внешнее давление, а так же механика поверхностного натяжения внутри каверны обуславливают встречное движение ее стенок со скоростью, превышающей две скорости звука, до соударения в финальной стадии коллапса (Фиг. 3).

В точке коллапса давление возрастает до 10 тысяч атмосфер, температура до 6000°, в этом случае происходит уплотнение энергии, а так же ее преобразование в различные формы магнитную, электрическую, электромагнитную, механическую глубоких деформаций, тепловую нагрева жидкостей и т.д.

Однако, преобразование ее форм и реализация значимых при этом физических эффектов реализуются только при определенной ее плотности. Уровень плотности энергии при коллапсе определяется размером конечного объема каверны в момент остановки встречно движущихся стенок (Фиг. 4)

где R₁ - радиус кавитационной каверны в финальной стадии роста;

R₂ - радиус кавитационной каверны в финальной стадии коллапса;

р₁ - внешнее давление на кавитационную область;

р₂ - давление в кавитационной каверне в финальной стадии коллапса.

Размеры конечного объема R₂ определяется процессами испарения воды со стенок внутрь каверны и выделения в свободное состояние в полость каверны ранее растворенного в воде воздуха. Причем, процессы испарения и дегазации воды в значительной степени определяются температурой. То есть с ростом температуры используемой воды в фазу образования и роста кавитационной каверны имеет место интенсификация испарения воды внутрь каверны и активное поступление ранее растворенного воздуха из массива воды. В момент коллапса эти вещества создают объем препятствующий полному сокращению каверны, что снижает достигаемую плотность энергии (Фиг. 5), следовательно, снижает и эффективность процесса.

В итоге имеет место парадокс - теплогенератор предназначен для повышения температуры обрабатываемой воды - с одной стороны.

Нагрев воды значительно снижает эффективность рабочего процесса теплогенератора (Фиг. 6) - с другой стороны. То есть налицо существует техническое противоречие.

Таким образом, механизм кавитационного нагрева включает:

- создание в массиве воды звукового поля распространяющихся упругих волн;

- образование в вакуумметрическую фазу прохождения каждой волны кавитационных каверн, которые при коллапсе уплотняют энергию до сверхвысоких значений;

- высокая плотность энергии обеспечивает взаимные переходы ее форм и выработку энергии, изменения свойств воды и т.д.

В итоге теплогенератор по патенту РФ №2045715 является простым макроинструментом для проникновения в наномир и проведения в наномасштабе полезных мероприятий. Рассматриваемое направление очень актуально, поскольку доступными недорогими средствами имеется возможность проникнуть в наномир и создавать, и развивать на этом уровне новые технологии. Следовательно, имеется смысл и необходимость развивать и совершенствовать технические средства, создающие периодическую кавитацию в жидкостях.

Целью предлагаемого технического решения является повышение эффективности работы теплогенератора путем введения системы охлаждения кавитационных областей, что позволит сократить конечные объемы схлопывающихся каверн и повысить плотность энергии при рабочем процессе.

Для достижения поставленной цели в известном теплогенераторе, включающий насос, ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, центральным отверстием сообщенным с цилиндрическим корпусом, содержащим тормозное устройство и отверстие с выходным патрубком, соединенным с выходным транзитным патрубком и с всасывающим патрубком насоса, напорный патрубок которого связан с тангенциальным входным патрубком циклона, циклон и цилиндрический корпус теплогенератора размещены в заполненной жидкостью теплообменной обойме, на поверхности которой расположены герметизированные отверстия для тангенциального входного патрубка циклона и выходного патрубка, а также входные и выходные отверстия для подсоединения дополнительной системы охлаждения, расположенной в теплообменной обойме

При этом:

- система охлаждения выполнена в виде теплового насоса, включающего теплообменник-испаритель, размещенный в теплообменной обойме, теплообменник-конденсатор, размещенный в выходном транзитном патрубке, вакуумный насос, дроссель, соединенные трубопроводами в замкнутый контур и заполненные хладагентом.

- система охлаждения выполнена в виде теплового насоса, включающего теплообменники-испарители, первый из которых размещен в теплообменной обойме, а второй в выходном транзитном патрубке, и теплообменника-конденсатора, размещенного в дополнительном ответвлении выходного транзитного патрубка.

- система охлаждения выполнена в виде трубопровода для подачи воды и дренажного трубопровода, подсоединенных, соответственно, через входные и выходные отверстия в теплообменной обойме.

- система охлаждения выполнена в виде сосуда Дюара, выполненного с возможностью подвода через входное отверстие в теплообменной обойме пара жидкого азота.

- система охлаждения выполнена в виде трубопровода для подачи воды и дренажного трубопровода подсоединенных, соответственно, через входные и выходные отверстия в теплообменной обойме и в виде сосуда Дюара, выполненного с возможностью подвода через дополнительное входное отверстие в теплообменной обойме пара жидкого азота.

- теплообменник-охладитель выполнен в виде спирального трубопровода, охватывающего цилиндрический корпус.

- входное и выходное отверстия разнесены диаметрально и по длине теплообменной обоймы, при этом выходное отверстие расположено выше входного.

- на ответвлении выходного транзитного патрубка установлен вентиль.

Размещение циклона и цилиндрического корпуса кавитационного теплогенератора в заполненной жидкостью теплообменной обойме, обеспечивает охлаждение кавитационных зон, что дает возможность снижения испарения воды, сокращения выделения воздуха из воды внутрь образующихся кавитационных каверн. В результате при следующей фазе жизни каждой кавитационной каверны - коллапса, ее стенки останавливаются позже, по сравнению с исходным вариантом обуславливая меньший конечный объем, а значит и более высокую плотность энергии (большую величину давления), более высокую эффективность технологических процессов, в частности большее количество вырабатываемой тепловой энергии.

Размещение на поверхности теплообменной обоймы герметизированных отверстий для тангенциального входного патрубка циклона и выходного патрубка обеспечивает возможность функционирования кавитационного теплогенератора на различных режимах рабочего процесса за счет подвода-отвода транзитного потока.

Наличие входных и выходных отверстий для подсоединения дополнительной системы охлаждения, расположенной в теплообменной обойме обеспечивает отвод тепла отобранного из кавитационной области циркулирующей жидкостью.

Однако, в этом случае вырабатываемое тепло распределяется между транзитным потоком жидкости и охлаждающим потоком, проходящим через теплообменную обойму - то есть получается большее суммарное количество тепла (транзитный поток плюс дренажный), но низкотемпературного.

Выполнение системы охлаждения в виде теплового насоса, включающего теплообменник-испаритель, размещенный в теплообменной обойме, теплообменник-конденсатор, размещенный в выходном транзитном патрубке, вакуумный насос, дроссель, соединенные трубопроводами в замкнутый контур и заполненные хладагентом обеспечивает, во-первых, дополнительный отбор тепла от циклона и цилиндрического корпуса. Во-вторых, передачу этого тепла выходному транзитному потоку, в результате чего получается и большее количество тепла, и с более высокой температурой, по сравнению с исходным вариантом.

Выполнение теплового насоса в виде теплообменников-испарителей, первый из которых размещен в теплообменной обойме, а второй, в выходном транзитном патрубке, и теплообменника-конденсатора в дополнительном ответвлении выходного транзитного патрубка обеспечивает отбор теплоты и от использованной охлаждающей воды, и от части нагретого транзитного потока и передачу суммы этих тепловых энергий для второй меньшей части нагретого транзитного потока. Рассмотренное мероприятие позволяет получить более горячую воду во втором ответвленном транзитном потоке, причем, с большей эффективностью, чем на малых расходах транзитного потока при традиционном рабочем процессе. Установка на ответвлении выходного транзитного патрубка вентиля позволяет производить регулировку и настраивать устройство на заданную температуру. Совокупность регулируемого второго патрубка с тепловым насосом, содержащим два теплообменника - испарителя и один теплообменник-конденсатор является тепловым трансформатором.

Выполнение системы охлаждения в виде трубопровода для подачи воды и дренажного трубопровода, подсоединенных, соответственно, через входные и выходные отверстия в теплообменной обойме обеспечивает общее увеличение вырабатываемого тепла, однако его часть теряется безвозвратно, уходя с охлаждающим потоком в дренаж. Такое техническое решение уместно при использовании теплогенератора в виде кавитационных диспергатора, гомогенизатора, устройства для обработки воды и т.д. Кроме того, такой вариант использования является целесообразным при подогреве и одновременной кавитационной дезинфекции воды в плавательных бассейнах, где требуется большое количество низкотемпературного тепла. При этом охлаждение циклона и цилиндрического корпуса достигается более доступными и дешевыми средствами - только водопроводной водой. Причем, входное и выходное отверстия разнесены диаметрально и по длине теплообменной обоймы, что дает возможность омывать цилиндрический корпус охлаждающей водой на всей его длине. Расположение выходного отверстия выше входного обеспечивает отвод нагретой охлаждающей воды, поскольку ее плотность ниже и она собирается сверху.

Выполнение системы охлаждения в виде сосуда Дюара, выполненного с возможностью подвода через входное отверстие в теплообменной обойме пара жидкого азота обеспечивает более глубокое охлаждение кавитационных зон (без замерзания воды), следовательно, и большую эффективность кавитационного процесса, поскольку в полость кавитационной каверны в этом случае выделяется минимальное количество пара и воздуха и достигаемая плотность энергии наивысшая. Однако, стоимость такого технического решения повышенная, вследствие необходимости постоянного наличия жидкого азота.

Решение проблемы пополнения льда в теплообменной обойме может обеспечить выполнение системы охлаждения в виде трубопровода для подачи воды и дренажного трубопровода подсоединенных, соответственно, через входные и выходные отверстия в теплообменной обойме и подведенного из сосуда Дюара через дополнительное входное отверстие в теплообменной обойме пара жидкого азота. При этом газообразные пары жидкого азота попадая в воду в необходимом количестве вызывают в ней образование льда, который за счет плавучести охлаждает наиболее нагретые в теплообменной обойме верхние слои охлаждающей воды. В этом случае достигается и необходимый эффект охлаждения, соответствующий «ледяному» варианту, и сокращается расход жидкого азота, по отношению к случаю с газообразным вариантом контакта с охлаждаемым объектом поскольку основной отбор тепла производится охлаждающей водой.

Выполнение теплообменника охладителя в виде спирального трубопровода, охватывающего цилиндрический корпус обеспечивает более полный отбор теплоты от цилиндрического корпуса, за счет развитой охлаждаемой поверхности и более близкого и непосредственного контакта цилиндрического корпуса и хладагента.

Предполагаемое изобретение пояснено следующими иллюстрациями:

Фиг. 1. Механизм звукообразования в циклоне кавитационного теплогенератора (диаметральный разрез циклона фиг. 9, А-А).

Фиг. 2. Визуализация жизни и местонахождения кавитационных каверн.

Фиг. 3. Характер изменения размеров каверны во времени.

Фиг. 4. Схема коллапса кавитационной каверны при диффузии в ее объем воздуха и паров воды.

Фиг. 5. Интерпретация результатов расчета давления (плотности энергии) в каверне в финальной стадии ее коллапса на разных температурах работы теплогенератора.

Фиг. 6. Тепловые характеристики исходного теплогенератора:

а) температурная; b) тепловая.

Фиг. 7. Кавитационный теплогенератор, снабженный тепловым насосом.

Фиг. 8. Кавитационный теплогенератор, снабженный водопроводным охладителем.

Фиг. 9. Кавитационный теплогенератор с охлаждением парами жидкого азота.

Фиг. 10. Кавитационный теплогенератор с комбинированной системой охлаждения - водопроводной водой и парами жидкого азота.

Фиг. 11. Вариант кавитационного теплогенератора, снабженного дополнительным транзитным выходным патрубком и тепловым насосом с двумя испарителями, для получения повышенных температур выходного транзитного потока.

Фиг. 12. Кавитационный теплогенератор с трубчатым корпусом.

Кавитационный теплогенератор, включает насос 1, ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона 2, центральным отверстием 3 сообщенного с цилиндрическим корпусом 4, содержащим тормозное устройство 5 (Фиг. 8) и отверстие 6 (Фиг. 8) с выходным патрубком 7, соединенным с выходным транзитным патрубком 8 и возвратным трубопроводом 9 с всасывающим патрубком 10 насоса 1, напорный патрубок 11 которого связан с тангенциальным входным патрубком 12 (Фиг. 1) циклона 2, всасывающий патрубок 10 насоса 1 снабжен входным транзитным патрубком13, циклон 2 и цилиндрический корпус 4 теплогенератора размещены в теплообменной обойме 14, на поверхности которой расположены герметизированные отверстия 15,16 для тангенциального входного патрубка циклона 12, выходного патрубка 7, входное 17 и выходное 18 для подвода и отвода охлаждающей жидкости (Фиг. 8), а так же для подсоединения системы охлаждения 19, 20 в виде теплового насоса, включающего теплообменник - испаритель 21, размещенный в теплообменной обойме 14, теплообменник-конденсатор 22, размещенный в выходном транзитном патрубке 8, вакуумный насос 23, дроссель 24, соединенные трубопроводами 25 в замкнутый контур и заполненные хладагентом (Фиг. 7).

Для функционального варианта устройства с охлаждением парами жидкого азота к входному отверстию 17 (Фиг. 9) подключен сосуд Дюара 27 с жидким азотом. В обойме 14 находятся низкотемпературные пары жидкого азота 28, подведенного через трубопровод 29.

Для функционального варианта устройства с охлаждением парами жидкого азота в сочетании с водой (Фиг. 10) трубка 29 для подачи паров азота заглублена под уровень воды 33 в теплообменной обойме 14.

Для получения повышенных температур исходная схема (Фиг. 7) кавитационного теплогенератора с тепловым насосом снабжена:

- дополнительным выходным патрубком 36 в сочетании с регулирующим вентилем 37;

- дополнительным теплообменником 38, выполняющим функцию конденсатора-нагревателя.

Теплообменники 21 и 22 исходной схемы (Фиг. 7) в новом варианте использования выполняют функцию испарителей-охладителей, следовательно, схема подключения дросселя 24, вакуумнасоса 23 предполагает отбор теплоты этими теплообменниками (21,22) от воды в цилиндрическом корпусе 4 и от воды в выходном патрубке 8 и передачу этой теплоты к воде уже нагретой в кавитационном теплогенераторе конденсатором-нагревателем 38.

Для повышения эффективности рабочего процесса кавитационного теплогенератора за счет повышения теплопередачи от нагретой воды из цилиндрического корпуса к охлаждающей жидкости цилиндрический корпус (в исходной конструкции позиция 4) выполняется в виде навивки 40 из труб (различной конфигурации в поперечном сечении).

Работает рассматриваемый кавитационный теплогенератор следующим образом.

Вариант с системой охлаждения в виде теплового насоса (Фиг. 7).

Перед началом работы рабочее пространство кавитационного теплогенератора заполняется водой через входной транзитный патрубок 13. Внутренний объем теплообменной обоймы 14 заполняется охлаждающей жидкость, например водой, через отверстия или 19, или 20. Контур теплового насоса, включающий вакуумный насос 23, теплообменник-конденсатор 22, дроссель 24, теплообменник-испаритель 21 заполняется легкокипящей жидкостью, например фреоном.

При запуске насоса 1 вода циркулирует по малому циркуляционному контуру: насос 1 - циклон 2 - цилиндрический корпус 4 - возвратный трубопровод 9. При этом в циклоне 2 (Фиг. 1) за счет взаимодействия конкурирующих пересекающихся потоков (входного тангенциального и окружного) создаются периодические зоны уплотнения, которые образуют волновые фронты, распространяющиеся от источника их образования.

Другим источником звукообразования является пространство, занимаемое тормозным устройством 5 (Фиг. 8), где также возникает периодическая кавитация. Механизм звукообразования в этом случае состоит в следующем - вращающаяся жидкость из циклона 2 попадает в цилиндрический корпус 4, по которому в виде вихревого течения движется к выходному отверстию 6 и далее в выходной патрубок 7. За счет вихревой составляющей течения происходит взаимодействие жидкости с консольными пластинами тормозного устройства 5, которые совершают колебательные движения с частотой определяемой их жесткостью и их геометрическими параметрами. Эти пластины также становятся источниками звукообразования.

Кроме того, середина цилиндрического корпуса 4 также является источником звукообразования поскольку звуковые фронты в цилиндрическом корпусе 4 от его краев движутся навстречу друг другу. При совпадении длин волн, частот звуковых фронтов и при условии равенства длины цилиндрического корпуса 4 половине длины волн образуется стоячая волна с пучностью в середине цилиндрического корпуса 4.

При прохождении вакуумметрической фазы каждой волны через зародыши в воде она разрывается с последующим образованием и ростом каверн. В манометрическую фазу проходящей волны эти каверны схлопываются (Фиг. 4) со скоростью встречного движения стенок превышающей две скорости звука в жидкости. В момент коллапса происходит уплотнение энергии до сверхвысоких значений, что обуславливает высокоэффективный нагрев воды. Однако, нагрев воды препятствует полноценному развитию процесса за счет интенсивного испарения воды и дегазации воздуха внутри каждой каверны (Фиг. 4).

Для снижения отрицательных сопутствующих процессов испарения и дегазации включается система охлаждения путем запуска вакуумнасоса 23. Он перекачивает легкокипящую жидкость в теплообменник 22, в котором за счет высокого давления, создаваемым им перед дросселем 24, как местным сопротивлением, газ сжимается, превращаясь в жидкость. Переход хладагента в жидкое агрегатное состояние сопровождается выделением тепла, которое дает дополнительный нагрев уже нагретой в кавитационном теплогенераторе и выходящей через выходной транзитный патрубок 8 воды.

Далее после прохождения дросселя 24 легкокипящая жидкость за счет уменьшения давления переходит вновь в газообразное состояние с поглощением теплоты, которая отбирается через теплообменник 21 от цилиндрического корпуса 4 через воду 33 (Фиг. 10), заполняющую теплообменную обойму.

В итоге, в рассматриваемой конструкции кавитационного теплогенератора происходит отбор теплоты от циклона 2 и цилиндрического корпуса 4, что улучшает условия протекания кавитационного процесса и повышает его эффективность. С другой стороны, отобранное тепло от проблемных частей циклона 2 и цилиндрического корпуса 4 суммируется с тепловым потоком из внутреннего объема кавитационного теплогенератора. При этом суммарный объем вырабатываемого тепла превышает количество вырабатываемого тепла исходного варианта (прототипа).

Вариант с системой охлаждения в виде проточной водопроводной воды (Фиг. 8) аналогично вышеприведенному случаю перед началом работы заполняют водой, как внутреннюю рабочую полость контура: насос 1 -циклон 2 - цилиндрический корпус 4 - возвратный трубопровод 9 через входной транзитный патрубок 13, так и теплообменную обойму 14 через входной патрубок 17.

При запуске насоса 1 сам кавитационный теплогенератор работает в штатном режиме - в циклоне создается звуковое поле, порождающее периодическую кавитацию; в пространстве, занимаемом тормозным устройством 5, также возникает периодическая кавитация; в середине цилиндрического корпуса за счет созданной стоячей волны - то же имеет место периодическая кавитация. Периодическая кавитация в указанных зонах приводит к уплотнению энергии в локальных точках до сверхвысоких значений и тем самым к высокоэффективному нагреву воды. Для сохранения эффективности кавитационного процесса путем снижения испарения и дегазации внутрь кавитационных каверн вода в циркуляционном контуре охлаждается контактным способом через стенки циклона 2 и цилиндрического корпуса 4, заключенных в теплообменную обойму 14 с охлаждаемой водой. Водообмен для должного охлаждения производится через входной 17 и выходной 18 патрубки с расходом

Рекомендуемое применение рассматриваемой схемы охлаждения -получение большого количества низкотемпературного тепла путем дополнительной его утилизации из охлаждающей жидкости, например, для нагрева воды в плавательных бассейнах. В этом случае суммарное количество тепла так же, как и на фиг. 7 превышает вырабатываемое тепло исходной конструкции.

Вариант с охлаждением парами жидкого азота (Фиг. 9) отличается от вышерассмотренных случаев тем, что в качестве охлаждающего материала используются пары жидкого азота с необходимым расходом

Пары жидкого азота из сосуда Дюара 27 поступают через патрубок 17 в теплообменную обойму 4, отнимают теплоту от циклона 2 и цилиндрического корпуса 4 и далее удаляются в атмосферу через патрубок 18. Степень охлаждения регулируется расходом паров азота путем дроселирования на патрубках 17 или 18 (на фиг. 9 не показаны).

Данная схема охлаждения проста по конструкции, однако в ней отводимое тепло теряется за счет того, что уносится вместе с охлаждающим материалом. Она может быть использована при выполнении технологических операций (диспергация, гомогенизация, опреснение и т.д.), при которых выработка тепла не актуальна, а главное необходимо получить искомый продукт требуемого качества.

Газообразный охладитель является более подвижной субстанцией, что позволяет производить более надежное охлаждение наиболее активных зон кавитации. Однако стоимость жидкого азота составляет немалую цену и поэтому рассматриваемый вариант охлаждения может применяться в особо ответственных случаях.

Вариант с комбинированной системой охлаждения - водопроводной водой и парами жидкого азота (Фиг. 10) сочетает продолжительную непрерывность процесса охлаждения и экономичный расход жидкого азота. В этом случае выходной конец шланга 29, подающего пары жидкого азота из сосуда Дюара 27в теплообменную обойму 14 заглубляется под уровень жидкости (воды) 33. Непрерывное истечение паров жидкого азота в воду 33 обеспечивает, во-первых, непосредственное охлаждение воды контактным способом, во-вторых, образование кусочков льда. Благодаря промежуточной стадии между жидким азотом и охлаждаемым объектом -образование льда, температура охлаждающей жидкости постоянна и соответствует t=0°, что обуславливает постоянство условий протекания кавитационного процесса. С другой стороны исключается процедура периодической загрузки льда 30 в теплообменную обойму 14 в течение продолжительного времени, что позволяет автоматизировать технологические процессы на этой основе. Периодическая замена воды может осуществляться через патрубки 17, 18.

Вариант кавитационного теплогенератора, снабженного дополнительным транзитным выходным патрубком и тепловым насосом с двумя теплообменниками-испарителями (Фиг. 11), для получения повышенных температур выходного транзитного потока работает следующим образом. Сам кавитационный теплогенератор работает аналогично кавитационным теплогенераторам, рассмотренных в вышеизложенных вариантах, а именно вода под действием насоса 1 совершает движение по циркуляционному контуру: насос 1 - циклон 2 - цилиндрический корпус 4 - возвратный трубопровод 9. Проходя зоны периодической кавитации: в циклоне 2, в тормозном устройстве 5, в средней части цилиндрического корпуса 4 вода нагревается до благоприятной температуры t=30°-40°. В этом случае имеет место минимальные испарения и дегазация внутрь периодически образующихся и схлопывающихся кавитационных каверн. Для отбора произведенного тепла вместе с водой из кавитационного теплогенератора через выходной транзитный патрубок 8 производится сток воды, а для компенсации отобранной воды предусмотрено ее пополнение через входной транзитный патрубок 13. При этом выходной транзитный патрубок 8 имеет ответвление 36, через которое отделяется часть q₃ от выходного транзитного потока Соотношение между частями q₃ и регулируется вентилем 37.

Охлаждающая система включает вакуум-насос 23, теплообменник-конденсатор 38, дроссель 24 и параллельно подключенные теплообменники-испарители 21 и 22. Вакуум-насос 23 получает газообразный хладагент от теплообменников-испарителей 21, 22 и нагнетает его в теплообменник-конденсатор 38, размещенный в дополнительном выходном транзитном патрубке 36. За счет сопротивления потоку хладагента от дросселя 24 и за счет нагнетания вакуум-насосом 23 давление в теплообменнике-конденсаторе 38 возрастает и газообразный хладагент переходит в жидкое агрегатное состояние, что сопровождается выделением тепла, которое дополнительно передается уже нагретой в кавитационном теплогенераторе части q₃ выходного транзитного потока

Расход хладагента через теплообменник-конденсатор 38 превышает каждый из расходов теплообменников-испарителей 21 и 22, следовательно, через теплообменник-конденсатор 38 доставляется больше тепловой энергии, чем отбирается через каждый из теплообменников-испарителей 21, 22 и поток q₃ нагревается до температуры t₃, превышающий температуру t₂ потока из кавитационного теплогенератора.

Таким образом, увеличение числа теплообменников-испарителей и размещение их в нескольких горячих очагах, в теплообменной обойме 14 и в выходном транзитном патрубке 8 обеспечивает больший объем отбираемого тепла, которое затем передается меньшей части выходного транзитного потока q₃. В этом случае тепловой насос в сочетании с вентилем 37 работает, как тепловой трансформатор. Он собирает тепловую энергию, как от процесса охлаждения из теплообменной обоймы, так и от одной из частей q₂ выходного транзитного (полезного) потока и передает ее другой части q₃ выходного транзитного (так же полезного) потока. Чем меньше величина q₃ тем выше ее температура t₃. Величина коэффициента трансформации определяется степенью закрытия вентиля 37.

В итоге величина температуры t₃ достигается:

Во-первых, временем нахождения каждой частички воды внутри кавитационного теплогенератора, то есть расходом В этом случае каждая частичка воды внутри кавитационного теплогенератора с уменьшением совершает увеличенное число циклов прохождения кавитационных зон (поскольку уменьшается кратность водообмена) и в большей степени подвергается кавитационному воздействию, следовательно, способствует большему выделению тепловой энергии (с учетом охлаждения). Значительная часть произведенного тепла при этом отбирается системой охлаждения.

Во-вторых, из большего объема произведенной тепловой энергии, а также за счет увеличения ее донорной части вентилем 37, до больших температур t₃ нагревается потребительский расход q₃ вследствие функционирования теплового насоса.

Кавитационный теплогенератор с трубчатым корпусом (Фиг. 12), образованным спиральной навивкой полых труб вокруг цилиндрической поверхности. Работа этого охладителя аналогична рабочему процессу, изображенному на фиг. 7. Вакуум-насос 23 нагнетает хладагент в теплообменник - конденсатор 22, в котором происходит конденсация газообразного хладагента с передачей тепла выходному потоку Конденсация происходит за счет повышения давления в теплообменнике-конденсаторе 22, обусловленная гидравлическим сопротивлением, создаваемым дросселем 24. После дросселя 24 в витках корпуса 40 давление падает, хладагент (легкокипящая жидкость) вновь переходит в газообразное состояние с понижением температуры и отбором тепловой энергии от рабочей жидкости, находящейся внутри корпуса 40 кавитационного теплогенератора.

Такая трубчатая конструкция стенок корпуса 40 характеризуется более упорядоченным потоком и более продолжительным контактом каждой из частичек хладагента с охлаждаемой внутри кавитационного теплогенератора жидкостью.

Вышеперечисленные обстоятельства в развитии конструкции кавитационного теплогенератора обуславливают следующие возможные направления его использования:

эффективное применение кавитационного теплогенератора для выполнения различных иных технологических операций (диспергирование, гомогенизация, опреснение) при использовании системы охлаждения только для отбора тепла - охлаждение проточной водой, охлаждение льдом, охлаждение парами жидкого азота и т.д.;

высокоэффективное получение тепловой энергии с полезным использованием отобранной при охлаждении тепловой энергии для дополнительного нагрева выходного транзитного потока путем применения в системе охлаждения теплового насоса;

- эффективное получение высоко нагретого выходного транзитного потока путем утилизации отобранной при охлаждении тепловой энергии в выходной транзитный поток, а так же развитием теплового насоса в тепловой трансформатор.

Причем, получение тепловой энергии (второе и третье из вышеперечисленных направлений) сопровождается общим увеличением производимого тепла по сравнению с использованием прототипа.

Таким образом, в результате введения системы охлаждения вокруг кавитационных областей повышается эффективность работы кавитационного теплогенератора за счет того что, при снижении температуры в кавитационной области снижается диффузия растворенного в воде воздуха и паров воды внутрь растущих каверн. Поэтому в последующей фазе жизни каждой каверны - коллапса, ее объем уменьшается до меньших размеров, что повышает плотность энергии (давление, температуру), увеличивает градиент напряжений, глубину деформации в массиве воды и приводит к повышению выработки тепла. При этом проведение рассматриваемого мероприятия позволяет расширить диапазон получаемых температур и варианты использования кавитационного теплогенератора

Появление предлагаемых технических решений обуславливает актуальность дальнейшего развития кавитационных технологий, расширяет их возможности, а так же делает осуществимыми те процессы, которые ранее были невозможными.

Кавитационный теплогенератор относится к теплоэнергетике и может быть использован в системах теплоснабжения в промышленности, в сельском хозяйстве, в транспортных и бытовых объектах. Кавитационный теплогенератор включает насос, ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, центральным отверстием сообщенного с цилиндрическим корпусом, содержащим тормозное устройство и отверстие с выходным патрубком, соединенным с выходным транзитным патрубком и с всасывающим патрубком насоса, напорный патрубок которого связан с тангенциальным входным патрубком циклона. Циклон и цилиндрический корпус теплогенератора размещены в заполненной жидкостью теплообменной обойме, на поверхности которой расположены герметизированные отверстия для тангенциального входного патрубка циклона и выходного патрубка, а также входные и выходные отверстия для подсоединения дополнительной системы охлаждения, расположенной в теплообменной обойме. Использование изобретения повышает эффективность работы теплогенератора. 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Кавитационный теплогенератор, включающий насос, ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, центральным отверстием сообщенного с цилиндрическим корпусом, содержащим тормозное устройство и отверстие с выходным патрубком, соединенным с выходным транзитным патрубком и с всасывающим патрубком насоса, напорный патрубок которого связан с тангенциальным входным патрубком циклона, отличающийся тем, что циклон и цилиндрический корпус теплогенератора размещены в заполненной жидкостью теплообменной обойме, на поверхности которой расположены герметизированные отверстия для тангенциального входного патрубка циклона и выходного патрубка, а также входные и выходные отверстия для подсоединения дополнительной системы охлаждения, расположенной в теплообменной обойме.

2. Кавитационный теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена в виде теплового насоса, включающего теплообменник-испаритель, размещенный в теплообменной обойме, теплообменник-конденсатор, размещенный в выходном транзитном патрубке, вакуумный насос, дроссель, соединенные трубопроводами в замкнутый контур и заполненные хладагентом.

3. Кавитационный теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена в виде теплового насоса, включающего теплообменники-испарители, первый из которых размещен в теплообменной обойме, а второй в выходном транзитном патрубке, и теплообменника-конденсатора, размещенного в дополнительном ответвлении выходного транзитного патрубка.

4. Кавитационный теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена в виде трубопровода для подачи воды и дренажного трубопровода, подсоединенных, соответственно, через входные и выходные отверстия в теплообменной обойме.

5. Кавитационный теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена в виде сосуда Дюара, выполненного с возможностью подвода через входное отверстие в теплообменной обойме пара жидкого азота.

6. Кавитационный теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена в виде трубопровода для подачи воды и дренажного трубопровода подсоединенных, соответственно, через входные и выходные отверстия в теплообменной обойме и в виде сосуда Дюара, выполненного с возможностью подвода через дополнительное входное отверстие в теплообменной обойме пара жидкого азота.

7. Кавитационный теплогенератор по п. 2, отличающийся тем, что теплообменник-испаритель выполнен в виде спирального трубопровода, охватывающего цилиндрический корпус.

8. Кавитационный теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что входное и выходное отверстия разнесены диаметрально и по длине теплообменной обоймы, при этом выходное отверстие расположено выше входного.

9. Кавитационный теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что на ответвлении выходного транзитного патрубка установлен вентиль.