Устройство для нагрева жидкости и получения пара (варианты) Российский патент 2024 года по МПК F22B3/06 F24V40/10 

Группа изобретений относится к области теплотехники, а именно к устройствам для нагрева жидкости и получения пара для применения в различных областях промышленности и может быть использована для производства пара для отогрева трубопроводов, вентилей, задвижек, дезинфекции помещений, стерилизации емкостей, а также для подогрева жидкостей, придания нужных эксплуатационных свойств нефти, мазуту, различным видам топлива и смазочных материалов. Кроме того, заявляемая группа изобретений может быть использована в качестве диспергатора, например, для получения эмульсии из расслоившейся смеси компонентов.

В основе заявляемой группы изобретений лежит протекающий при ряде условий в жидкостях процесс кавитации, а именно тепловая гидродинамическая кавитация, под которой понимается процесс парообразования, образование кавитационных пузырьков, или каверн (жидких полостей, заполненных газом, паром или их смесью), и последующее схлопывание их, сопровождающееся гидравлическими ударами. Кавитация рассматривается как средство локальной концентрации энергии низкой плотности в высокую плотность энергии, связанную с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков. При этом при схлопывании пузырьков возникают ударные волны, приводящие к краткосрочному повышению давления и температур, в результате чего происходит кавитационное закипание жидкости, то есть жидкость нагревается и переходит в газо-водяную смесь.

В настоящее время из уровня техники известны случаи реализации тепло- и парогенераторов, основанных на эффекте кавитации, однако, они обладают рядом существенных недостатков, ведущих к повышенному износу основных компонентов и усложняющих эксплуатацию оборудования.

Известна полезная модель «Роторный кавитационный парогенератор» по патенту РФ 52976 с датой публикации 27.04.2006, предназначенная для получения пара за один проход воды с любой начальной температуры без ее предварительного подогрева и химической водоподготовки при повышении качества получаемого пара за счет гарантированного разделения теплоносителя па жидкую и парообразную фазу. Парогенератор содержит корпус, состоящий из кольца-статора, передней и задней боковых крышек, имеющих входное и выходное отверстия для подключения патрубков подвода нагреваемой жидкости и отбора пара, по крайней мере, один ротор в виде диска, установленный на валу и имеющий радиальный зазор между ним и статором и осевые зазоры между ним и боковыми крышками корпуса, завихрители. Входное отверстие для патрубка подвода жидкости расположено на периферийной части диска в зоне радиального зазора, а выходное отверстие для патрубка отбора пара выполнено в центральной части передней крышки.

Недостатком описанного устройства является пульсирующий режим работы, что не позволяет получать сухой насыщенный пар и не обеспечивает стабильные параметры пара.

Известно изобретение «Гидродинамический реактор для парогенератора» по патенту РФ 2766375 с датой публикации 15.03.2022, направленное на быстрое и эффективное превращение жидкости в пар при повышении КПД, увеличение надежности работы, обеспечении стабильного процесса генерации пара с заданными параметрами, регулируемыми в широких пределах, с любой начальной температурой жидкости.

Гидродинамический реактор состоит из корпус из кольца-статора, внутренние боковые крышки с отверстиями для подключения патрубков подвода нагреваемой жидкости и отбора пара, ротор в виде диска, установленный на валу и имеющий радиальный зазор с кольцом-статором и осевые зазоры между ним и внутренними боковыми крышками, завихрители, выполненные в виде радиально ориентированных канавок, расположенные с обеих сторон диска-ротора в периферийной области, а также внутри внутренних боковых крышек и статора, патрубки подвода и отвода жидкости, узел для подключения к механическому приводу, патрубок для сброса пара. Дополнительно реактор содержит магнитный пояс, состоящий из неодимовых магнитов, вмонтированных внутрь кольца-статора радиально, дополнительные кавитационные выступы, которые расположены па цилиндрической поверхности диска-ротора, а также и рекуперативную камеру, отделяющую подшипниковую зону от статора, причем статор выполнен из немагнитного материала и снаружи закрыт кольцом-экраном, выполненным из магнитного материала.

Недостатком данного изобретения является сложность проведения технического обслуживания, так как при смене диска-ротора затрагивается уплотнительный узел и нарушается герметичность реактора, а также имеется поверхность нагрева, имеющая температуру выше, чем жидкость, поступающая в реактор, что исключает возможность нагрева предлагаемым реактором легко воспламеняющихся жидкостей.

Известна полезная модель «Передвижной мобильный парогенератор» из патента РФ 211005 с датой публикации 18.05.2022, предназначенная для производства пара и для организации технологических процессов для очистки поверхностей посредством пара, например применение передвижного мобильного парогенератора вместо мойки высокого давления. Парогенератор характеризуется отсутствием нагревательных элементов, передающих через теплообменную поверхность воздействие тепла на жидкость, и нагревом воды способом се вращения с закритическими скоростями внутри парогенератора, что позволяет использовать для получения пара практически любую воду без химической подготовки, а также получать пар или пароводяную смесь с различными химическими добавками и реагентами, с целью повышения надежности и безопасности.

Передвижной мобильный парогенератор включает в себя корпус, установленный па мобильной платформе, вал, закрепленный в корпусе, двигатель, вращающий вал и прикрепленный к корпусу, и кавитационный реактор, прикрепленный к корпусу и внутри которого установлен на валу диск, вращаемый двигателем, кавитационный реактор включает корпус реактора, заднюю и переднюю закрывающие крышки, закрывающие диск с торцевых частей, с образованием полости между корпусом, крышками и диском, кроме того, диск с обеих своих торцевых сторон содержит, равномерно расположенные но окружности, ближе к краю, канавки, также и в крышках с внутренней стороны выполнены канавки, расположенные напротив канавок диска, при этом кавитационный реактор закреплен на корпусе посредством переходника, в котором выполнен входной канал для подачи жидкости в полость реактора через заднюю крышку, а выходной канал расположен в передней крышке.

Кавитационный реактор дополнительно содержит кавитационные канавки, расположенные равномерно по окружности обода диска и расположенные напротив канавок обода диска кавитационные канавки в корпусе реактора.

Недостатком данной полезной модели является высокие эксплуатационные затраты, так как кавитационные канавки выполнены на поверхности корпуса (крышек) и диска, и при абразивном износе не могут быть изменены без замены деталей целиком, т.е. почти всего реактора.

Известно устройство для нагревания жидкости из патента KZ 34124 с датой публикации 24.01.2020, относящееся к теплотехнике. Устройство состоит из замкнутого сосуда, заполненного жидкостью, ротора, на цилиндрической поверхности которого выполнены дроссельные отверстия и электродвигателя. Внутри ротора установлен неподвижный диск, на торцевых поверхностях которого, вдоль радиусов, расположено множество высверленных отверстий (углублений), выполненных под углом в сторону вращения ротора и на глубину равную диаметрам отверстий. Глубина отверстий снижается к центру диска, кроме этого, подвод жидкости в ротор выполнен по каналам в неподвижной стойке и диске.

Известно устройство для нагревания жидкостей из патента US 5188090 с датой публикации 23.02.1993 г. посредством образования в них кавитационных пузырьков, которые при попадании в зону повышенного давления схлопываются и при этом выделяют значительную энергию. Устройство состоит металлического статора, имеющего цилиндрическую полость, закрытую крышками. В центре крышек и на противоположной ее стороне корпуса статора имеются осевые отверстия, в которых на подшипниках установлен вал, соединенный с электродвигателем. На валу, полости внутри статора укреплен монолитный цилиндрический алюминиевый ротор, цилиндрическая поверхность которого усеяна множеством углублений, имеющих диаметр 10 мм и высверленных на глубину, приблизительно равную диаметру этих углублений. Зазор между цилиндрическими поверхностями ротора и статора составляет 0,5 мм. В торцевых крышках статора имеются отверстия для подачи нагреваемой жидкости в устройства с одной стороны и отвода ее с другой стороны. Описанное устройство работает следующим образом. Через входное отверстие в полость статора подают воду, подлежащую нагреву. Она протекает по зазору между статором и ротором и выходит с противоположной стороны через отверстие в торцевой крышке устройства. Ротор устройства посредством электродвигателя приводят во вращение. При быстром вращении ротора происходит завихрение воды в углублениях на его поверхности. При этом в углублениях ротора и в зазоре между цилиндрическими поверхностями ротора и статора возникает кавитационный процесс, ведущий к нагреву воды.

Недостатком известных устройств является быстрый износ отверстий на роторе из-за возникающей кавитации жидкости.

Известно устройство для нагревания жидкости из патента KZ 34918 с датой публикации 02.04.2021, целью которого является устранение сложности конструкции нагревающего устройства, увеличение эффекта кавитационного нагрева жидкости и организация возможности регулирования температуры надеваемой жидкости. Устройство для нагрева жидкости содержит ротор, неподвижный диск, неподвижную ось. Неподвижный диск выполнен с радиальными и касательными к неподвижной оси ротора каналами с дроссельными отверстиями различного диаметра, выполненные под углом в сторону вращения ротора, а на цилиндрической поверхности диска, в зоне радиальных каналов, установлены захваты. На боковых стенках ротора, напротив, дроссельных отверстий диска, выполнены по окружности сферические полости с ребрами.

Известен кавитатор жидкости из патента РФ 206491 с датой публикации 14.09.2021, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, ротор с пластинами и приводной вал. Стенки в верхней части цилиндрического корпуса выполнены сужающимися к выходу, с торца упомянутых стенок корпуса смонтирована верхняя крышка с выполненными в ней входным и выходным патрубками. Входной патрубок смонтирован к упомянутой крышке коаксиально и выполнен в виде цилиндрической трубы, торец которой расположен вблизи ротора, ротор выполнен в виде смонтированных на приводном валу опорного диска и чередующихся за ним дисков и звездчатых пластин с расходящимися к периферии упомянутых пластин радиальными лучами, между радиальными лучами в дисках выполнены отверстия. Отверстия в дисках выполнены на расстоянии от центра ротора, не превышающего внутреннего диаметра патрубка подачи жидкости. Диски соединены к опорному диску разъемным соединением. Радиальных лучей в пластинах выполнено не менее четырех. Чередующихся дисков и звездчатых пластин выполнено не менее двух каждого.

Известно устройство для нагрева жидкости при помощи кавитации из заявки WO 2018132640 с датой публикации 19.07.2018, содержащее:

- корпус, имеющий впускное отверстие для подлежащей нагреву жидкости и выпускное отверстие для выпуска нагретой жидкости из корпуса;

- внешний ротор, выполненный с возможностью фиксации на вале двигателя и заключения в корпус и с возможностью вращения внутри корпуса, причем внешний ротор имеет множество кавитационных отверстий на его наружной поверхности и расположен внутри корпуса с образованием зоны нагрева текучей среды между наружной поверхностью внешнего ротора и внутренней поверхность корпуса, которая обращена к наружной поверхности внешнего ротора.

При этом внутренняя поверхность корпуса, обращенная к содержащей отверстия наружной поверхности внешнего ротора, имеет множество разнесенных в боковом направлении первых зон воронки, проходящих по окружности вдоль этой внутренней поверхности, причем каждая первая зона воронки заканчивается в первой выпускной зоне, каждая первая зона воронки содержит первый наклонный участок, каждая первая выпускная зона смещена относительно примыкающей первой выпускной зоны, а поступающая в корпус текучая среда нагревается за счет взаимодействия с первыми зонами воронки, первыми наклонными участками, отверстиями во внешнем роторе и при помощи вращения внешнего ротора.

Устройство дополнительно содержащее неподвижную роторную головку, которая установлена в корпусе и имеет наружную поверхность, обращенную к внутренней поверхности внешнего ротора, причем наружная поверхность неподвижной роторной головки и внутренняя поверхность внешнего ротора образуют вторую зону кавитации текучей среды, наружная поверхность неподвижной роторной головки содержит множество кавитационных отверстий, внутрення поверхность внешнего ротора имеет множество разнесенных в боковом направлении вторых зон воронки, проходящих по окружности вдоль внутренней поверхности внешнего ротора, при этом каждая вторая зона воронки заканчивается во второй выпускной зоне, каждая вторая зона воронки содержит второй наклонный участок, каждая вторая выпускная зона смещен относительно примыкающей второй выпускной зоны, а текучая среда, поступающая во вторую зону кавитации текучей среды, нагревается за счет взаимодействия со вторыми зонами воронки, вторыми наклонными участками, отверстиями в роторной головке и при помощи вращения внешнего ротора.

Общими недостатками вышеуказанных устройств являются:

- высокие эксплуатационные затраты, так как кавитационные канавки выполняются на поверхностях корпуса (крышек) и диска, и при их абразивном и кавитационном износе для сохранения эффективности работы устройства требуют замены деталей (корпуса, диска и т.п.) целиком, т.е. почти всего устройства;

- технологическая сложность изготовления кавитационных канавок (пазов, завихрителей), особенно на внутренних поверхностях деталей корпуса;

- форма кавитационных канавок при вращении дисков образует критические точки перетока жидкости, в которых происходит их повышенный кавитационный износ;

- сухость получаемого насыщенного пара не превышает 76-80%.

Наиболее близким техническим решением по назначению и количеству совпадающих признаков является устройство для создания кавитационных процессов из патента РФ 197412 с датой публикации 23.04.2020, содержащее неподвижный корпус, жестко связанную с ним крышку, отверстие входного канала, выполненное в крышке, отверстие выходного канала, выполненное в корпусе, цилиндрическую полость корпуса и крышки, внутри которой с зазором установлен с возможностью вращения закрепленный на валу дисковый ротор. При этом на торцах ротора и рабочих поверхностях корпуса и крышки выполнены глухие рабочие отверстия, расположенные по периферии с равным интервалом между соседними отверстиями по окружности. Глухие рабочие отверстия корпуса и крышки выполнены цилиндрической формы. Рабочие отверстия ротора выполнены продолговатой формы, рабочие отверстия крышки и корпуса выполнены смещенными в направлении к оси вращения вала относительно рабочих отверстий ротора с возможностью частичного перекрытия последних при вращении ротора, при этом с, по крайней мере, одного торца ротора выполнен глухой паз, ориентированный в направлении от центра ротора к его периферии. Глухой паз может быть выполнен с торца ротора, обращенного к рабочей поверхности крышки. Глухой паз может иметь дугообразную форму. Рабочие отверстия ротора расположены от оси вращения вала на расстоянии не менее величины, определяемой отношением линейной скорости в точке с эффективным образованием кавитации к удвоенной угловой скорости вращения ротора.

Недостатками прототипа являются отсутствие возможности выработки пара и дополнительные потери энергии при нагреве жидкости, т.к. данное устройство работает как центробежный насос. Кроме того, устройство для создания кавитационных процессов имеет ограниченный срок службы из-за отсутствия возможности ремонта.

Технические задачи, на решение которых направлена заявляемая группа изобретений, состоят в создании долговечного, безопасного и простого в обслуживании устройства, позволяющего осуществлять быстрое превращение жидкости в пар, а также осуществлять нагрев жидкостей, обладающих различной вязкостью, имеющих абразивные включения, химически агрессивных, легковоспламепяемых.

Техническими результатами заявляемой группы устройств для нагрева жидкости и получения пара являются:

- увеличение сухости получаемого насыщенного пара до 88-95% при снижении выхода конденсата, что увеличивает удельную производительность по сухому насыщенному пару с повышением КПД устройства;

- увеличение КПД устройства за счет крепления уплотнительного узла на валу привода без дополнительного подшипникового узла и эластичной муфты, что исключает механические потери в них;

- повышение ремонтопригодности устройства;

- снижение трудоемкости изготовления и повышение технологичности изготовления кавитационных канавок;

- повышение срока службы корпуса устройства и диска за счет применения сменных прокладок и накладок;

- увеличение ресурса пазов накладок из-за отсутствия зон критических перетоков надеваемой жидкости;

- снижение вибраций за счет исключения совпадения частот кавитации и собственных частот колебаний деталей при работе устройства.

Технические результаты обеспечиваются за счет того, что устройство для пахрева жидкости и получения пара содержит корпус состоящий из съемной крышки и основания, образующих герметичную полость для нахреваемой среды, вал с узлом уплотнения и муфтой крепления для передачи крутящего момента с внешнего привода, который служит для приведения во вращение съемного сплошного диска или съемного диска со сквозными отверстиями, который закреплен к муфте крепления, вместе с тем, к основанию, крышке и с двух сторон к съемному сплошному диску или диску с отверстиями через сменные прокладки закреплены сменные накладки со сквозными пазами, причем диск установлен таким образом, что накладки, закрепленные к корпусу, размещены параллельно накладкам, закрепленным с двух сторон к диску, а при вращении диска, в результате образования зон перекрытия пазов накладок, происходит попеременное открытие и закрытие пазов накладок по всей длине боковой стенки или грани или ребра пазов.

Основание может содержать входное отверстие для подачи жидкости для нахревания и получения пара, что упрощает процедуру подключения источника нахреваемой среды.

Съемная крышка корпуса может содержать отверстие для выхода пахретой жидкости или пара, что упрощает конструкцию корпуса.

Расстояние между сменными накладками диска и корпуса может составлять нс более 5 мм, что снижает вредное влияние кавитации на износ элементов устройства.

Толщина сменных накладок может составлять не более 10 мм, что является оптимальным для срока службы и условий функционирования заявленного устройства.

Ширина пазов сменных накладок может быть меньше ширины промежутка между соседними пазами накладок, что обеспечивает образование зон перекрытия по всей длине боковой стенки или грани или ребра пазов.

Сменная накладка может быть выполнена из жаропрочных сплавов, и/или керамики, и/или легких сплавов с керамическим покрытием, и/или композитных материалов, и/или материалов, обработанных методами лазерной или гидроабразивной резки, что позволяет применять заявленное устройство для работы с высокоабразивными и химически агрессивными жидкостями.

Корпус может быть выполнен из нержавеющей стали, и/или алюминиевых, и/или бронзовых, и/или латунных, и/или магниевых сплавов, и/или полимерных, и/или композитных материалов, что позволяет применять заявленное устройство для работы с высокоабразивными и химически агрессивными жидкостями.

Основание может содержать манжету и седло торцевого уплотнения, что защищает подвижные элементы от загрязнения и механического износа деталей.

Основание корпуса может быть закреплено к приводу либо установлено с ним на общей раме, что позволяет использовать с заявленным устройством разные типы приводов.

Кроме того, технические результаты обеспечиваются за счет того, что устройство для нагрева жидкости и получения пара содержит корпус, состоящий из съемной крышки и основания, образующих герметичную полость для нагреваемой среды, вал с узлом уплотнения для передачи крутящего момента с внешнего привода, который служит для приведения во вращение съемного сплошного диска или съемного диска со сквозными отверстиями, который закреплен к узлу уплотнения и имеет с обоих сторон основания выступы:

- центральный, расположенный в центре диска равномерно сужающийся от центра диска под острым углом;

- внешний, расположенный в зоне более половины диаметра диска равномерно сужающийся к центру диска под острым углом.

К основанию, крышке и с двух сторон к сплошному диску или диску с отверстиями через сменные прокладки закреплены сменные накладки со сквозными пазами, причем диск установлен таким образом, что накладки, закрепленные к корпусу, размещены параллельно накладкам, закрепленным с двух сторон к диску, а при вращении диска, в результате образования зон перекрытия пазов накладок, происходит попеременное открытие и закрытие пазов накладок по всей длине боковой стенки или грани или ребра пазов.

Выполнение угла сужения выступов диска в диапазоне от 20 до 45 градусов или выполнение толщины диска между выступами меньше толщины выступов диска более чем в 2 раза или равной толщине диска обеспечивает необходимую частоту собственных колебаний диска, а также гашение вибраций, возникающих при кавитации жидкости в зоне крепления накладок к диску. Вместе с тем, выполнение толщины центрального выступа диска больше внешнего выступа диска также обеспечивает гашение вибраций, возникающих при кавитации жидкости в зоне крепления накладок к диску, с установлением необходимой частоты собственных колебаний диска.

Внешний выступ диска может являться центрирующим для сменных накладок, что обеспечивает удобство обслуживания при смене накладок и прокладок.

Общеизвестно, что кавитацию можно рассматривать как образование разрывов жидкости, что, как следствие, влечет за собой снижение коэффициента полезного действия устройств для нагревания высоковязких жидкостей и получения пара. Заявляемая группа изобретений позволяет вредное влияние кавитации сделать наименьшим, в том числе снизить коррозионно-эрозионное и коррозионно-механическое изнашивание элементов устройства.

Настоящее описание дополнено чертежами и схемами, иллюстрирующими предпочтительные варианты выполнения устройства для нагрева жидкости и получения пара согласно настоящей группе изобретений, которые никоим образом не ограничивают объем настоящей группы изобретений.

На фигуре 1 представлена схема устройства для нагрева жидкости и получения пара в разрезе.

На фигуре 2 представлена схема построения пазов накладок.

На фигуре 3 представлена схема перекрытия пазов накладок в разные моменты вращения диска:

а) показан момент образования узкой (критической) зоны перекрытия пазов в области которой происходит сильный кавитационно-эрозионный износ паза у описанных выше аналогов;

б) предлагаемое решение, когда зона перекрытия пазов равномерно распределена но боковой грани паза, в результате кавитация происходит по всей протяженности ребра, не приводя к локальному износу паза.

Па фигуре 4 представлена схема перекрытия противоположных пазов накладок.

На фигуре 5 изображено сечение диска.

На фиг. 1 показан вид в разрезе устройства для нагрева жидкости и получения пара, которое содержит корпус, состоящий из съемной крышки 1 и основания 2, образующих герметичную полость, вал 3 с узлом уплотнения 4, к которому закреплен съемный сплошной диск 5 или съемный диск 5.1 со сквозными отверстиями, вместе с тем, к основанию 2, крышке 1 и с двух сторон к диску 5 или диску 5.1 через сменные прокладки 6 закреплены сменные накладки 7 со сквозными пазами (фиг. 3), причем диск 5 или 5.1 установлен таким образом, что накладки 7, закрепленные к корпусу, размещены параллельно накладкам 7, закрепленным с двух сторон к диску 5 или 5.1.

Устройство для нагрева жидкости и получения пара согласно заявляемой группе изобретений работает следующим образом.

Посредством внешнего привода, в качестве которого, например, может выступать электродвигатель, передается крутящий момент на вал 3, который начинает вращать узел уплотнения 4 и закрепленный на нем съемный диск 5. При этом, за счет крепления уплотнительного узла 4 на валу 3 без дополнительного подшипникового узла и эластичной муфты исключаются дополнительные механические потери, вследствие чего увеличивается КПД устройства. Одновременно осуществляется подача под давлением жидкости (надеваемой среды), в герметичную полость, образованную основанием 2 и крышкой 1 корпуса устройства, после чего жидкость проходит по каналам между основанием диска 5 и крышки 1. В процессе прохождения по каналам жидкость смазывает и охлаждает торцевое уплотнение, поэтому заявленное устройство не требует дополнительного подвода жидкости для охлаждения уплотнения. Под действием центробежной силы, возникающей в результате вращения диска 5, жидкость разгоняется и поступает в зону расположения накладок 7. Одновременно с этим, при вращении диска 5 накладки 7, закрепленные с двух сторон к диску 5 движутся относительно накладок 7, закрепленных к основанию 2 и крышке 1 и, соответственно, происходит быстрое чередование совмещения и несовмещения пазов накладок 7, в результате чего образуются зоны перекрытия пазов накладок 7, происходит попеременное открытие и закрытие пазов накладок 8 по всей длине боковой стенки или грани или ребра пазов (фиг. 2, 3, 4). Это вызывает интенсивные колебания в жидкости, поступающей в герметичную полость и последовательно проходящей все накладки 7 в радиальном направлении. При перекрытии пазов накладок 8 поток жидкости прерывается, что сопровождается пульсациями давления в потоке и гидравлическими ударами. Возникает кавитация. При этом, в результате отсутствия перетоков нагреваемой жидкости уменьшается кавитационно-эрозионное воздействие на грани и ребра пазов, что влечет за собой увеличение ресурса пазов сменных накладок 7. Кавитационные пузырьки выносятся потоком жидкости в зону повышенного давления и схлопываются, осуществляя обработку прилегающей к ним жидкости, таким образом обработке подвергается весь объем поступающей в полость жидкости. За счет эффекта кавитации происходит нагрев жидкости, после чего нагретую жидкость под давлением подают потребителю.

При необходимости получения на выходе устройства нагреваемой среды в состоянии пара, к узлу уплотнения 4 закрепляют диск 5.1 со сквозными отверстиями. При этом в полость устройства подается жидкость, после чего под действием центробежной силы жидкость скапливается в зоне расположения накладок 7, образуя кольцо, при этом за счет эффекта кавитации происходит нагрев жидкости до температуры образования насыщенного пара. Пар, обладая меньшей вязкостью и большей энергией, вылетает из кольца нагреваемой жидкости с обоих сторон диска 5.1 в полости А и Б. Из полости Л в полость Б пар перетекает через сквозные отверстия в диске 5.1, вследствие чего происходит выравнивание давления в полостях А и Б. Далее из полости Б весь пар через отверстие в крышке 1 под давлением подают потребителю.

Жидкость для нагрева или получения пара можно подавать в отверстие в основании 2, поскольку при такой подаче жидкости торцевое уплотнение будет охлаждаться более холодной жидкостью (средой), что увеличит ресурс работы торцевого уплотнения.

В процессе работы устройства под воздействием эффекта кавитации происходит нагрев среды, однако элементы устройства при этом не нагреваются выше температуры самой среды, т.к. сами элементы нагреваются нагреваемой средой. Это позволяет получить КПД устройства более 96%, и производить нагрев любых легковоспламеняющихся жидкостей, например на основе углеводородов, при сохранении взрыво-пожаробезопасности.

Выполнение прокладок 6 и накладок 7 сменными позволяет упростить и уменьшить сроки регламентных работ по обслуживанию, обеспечить высокий уровень ремонтопригодности устройства, а также снизить эксплуатационные затраты, повысить срок службы корпуса устройства и диска 5, или 5.1, так как при износе сквозных пазов не возникает необходимости в замене основных деталей конструкции - диска и корпуса, а подлежат замене только изношенные сменные накладки 7.

Использование промежуточной детали - прокладки 6, расположенной между корпусом устройства и накладкой 7, позволяет увеличить срок службы основных деталей устройства, так как основному износу подвергается именно съемная накладка 7 со сквозным пазом, а диск 5 или 5.1 и корпус устройства остаются не поврежденными.

Кроме того, возможность быстро производить замену накладки 7 различной толщины (не более 10 мм), с различной формой сквозных пазов и прокладок 6 различной толщины позволяет оперативно подготовить заявляемое устройство к работе с определенным видом нагреваемой среды (жидкости), обеспечить оптимальные параметры нагрева жидкости за счет подбора необходимой формы сквозных пазов, их количества и расстояния между противоположными накладками диска и корпуса.

Примеры возможной формы сквозных пазов приведены на фиг. 2, 3.

Жидкости могут быть высоковязкими, дополнительно загущенными высокомолекулярными природными смолами или природными полисахаридами (целлюлоза и их производных). При возникновении необходимости в работе с высокоабразивными и химически агрессивными жидкостями можно быстро установить съемные накладки из жаропрочных сплавов, и/или керамики, и/или легких сплавов с керамическим покрытием, и/или композитных материалов, и/или материалов, обработанных методами лазерной или гидроабразивной резки.

Конструкция узла уплотнения 4, закрепленного на валу 3, обеспечивающего герметизацию корпуса, позволяет производить обслуживание заявляемого устройства без разбора вращающейся части устройства. Для замены съемных накладок 7 снимается только крышка 1 корпуса и диск 5 или 5.1. В результате, при регламентном обслуживании, либо ремонте устройства не нарушается герметичность узлов, что исключает появление протечек нагреваемой жидкости при многократной сборке- разборке.

Увеличение сухости получаемого насыщенного пара до 88-95% при снижении конденсата, что увеличивает удельную производительность по сухому насыщенному пару с повышением КПД устройства, достигается за счет исключения зон критических перетоков жидкости в результате того, что происходит попеременное открытие и закрытие пазов накладок по всей длине боковой стенки или грани или ребра пазов.

Снижение вибрации достигается за счет исключения совпадения частот кавитации и собственных частот колебаний деталей и обеспечивается выполнением сплошного диска или диска со сквозными отверстиями, имеющего с обоих сторон основания выступы:

- центральный, расположенный в центре диска равномерно сужающийся от центра диска под острым углом;

- внешний, расположенный в зоне более половины диаметра диска равномерно сужающийся к центру диска под острым углом (на фиг. 1, 5). Сечение сплошного диска или диска со сквозными отверстиями представляет собой механический фильтр высоких частот, в результате высокочастотные вибрации, возникающие при кавитации в пазах накладок при вращении диска, гасятся в тонкой шейке диска и не переносятся в центральную часть, где диск крепится к валу устройства. При этом размеры S, S₁, S₂, S₃, D₁ рассчитываются в зависимости от D (диаметра) и массы диска и накладок.

Группа изобретений относится к области теплотехники и может быть использована в устройствах для нагрева жидкости и получения пара. Устройство для нагрева жидкости и получения пара содержит корпус, состоящий из съемной крышки и основания, образующих герметичную полость для нагреваемой среды, вал с узлом уплотнения и муфтой крепления для передачи крутящего момента с внешнего привода, который служит для приведения во вращение съемного сплошного диска или съемного диска со сквозными отверстиями, который закреплен к узлу уплотнения. К основанию, крышке и с двух сторон к сплошному диску или диску с отверстиями через сменные прокладки закреплены сменные накладки со сквозными пазами. Диск с обеих сторон основания имеет выступы и установлен таким образом, что накладки, закрепленные к корпусу, размещены параллельно накладкам, закрепленным с двух сторон к диску с возможностью попеременного открытия и закрытия пазов накладок по всей их длине. Технический результат - повышение ремонтопригодности устройства, снижение вибрации, а также увеличение удельной производительности по сухому насыщенному пару при повышении КПД устройства. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для нагрева жидкости и получения пара, содержащее корпус, состоящий из съемной крышки и основания, образующих герметичную полость для нагреваемой среды, вал с узлом уплотнения для передачи крутящего момента с внешнего привода, который служит для приведения во вращение съемного сплошного диска или съемного диска со сквозными отверстиями, который закреплен к узлу уплотнения, вместе с тем к основанию, крышке и с двух сторон к сплошному диску или диску с отверстиями через сменные прокладки закреплены сменные накладки со сквозными пазами, причем диск установлен таким образом, что накладки, закрепленные к корпусу, размещены параллельно накладкам, закрепленным с двух сторон к диску, а при вращении диска, в результате образования зон перекрытия пазов накладок, происходит попеременное открытие и закрытие пазов накладок по всей длине боковой стенки или грани или ребра пазов.

2. Устройство для нагрева жидкости и получения пара, содержащее корпус, состоящий из съемной крышки и основания, образующих герметичную полость для нагреваемой среды, вал с узлом уплотнения для передачи крутящего момента с внешнего привода, который служит для приведения во вращение съемного сплошного диска или съемного диска со сквозными отверстиями, который закреплен к узлу уплотнения и имеет с обеих сторон основания выступы:

- центральный, расположенный в центре диска, равномерно сужающийся от центра диска под острым углом;

- внешний, расположенный в зоне более половины диаметра диска, равномерно сужающийся к центру диска под острым углом,

вместе с тем к основанию, крышке и с двух сторон к сплошному диску или диску с отверстиями через сменные прокладки закреплены сменные накладки со сквозными пазами, причем диск установлен таким образом, что накладки, закрепленные к корпусу, размещены параллельно накладкам, закрепленным с двух сторон к диску, а при вращении диска, в результате образования зон перекрытия пазов накладок, происходит попеременное открытие и закрытие пазов накладок по всей длине боковой стенки или грани или ребра пазов.

3. Устройство для нагрева жидкости и получения пара по п. 1 или 2, отличающееся тем, что основание содержит входное отверстие для подачи жидкости для нагревания и получения пара.

4. Устройство для нагрева жидкости и получения пара по п. 1 или 2, отличающееся тем, что съемная крышка корпуса содержит отверстие для выхода нагретой жидкости или пара.

5. Устройство для нагрева жидкости и получения пара по п. 1 или 2, отличающееся тем, что расстояние между сменными накладками диска и корпуса составляет не более 5 мм.

6. Устройство для нагрева жидкости и получения пара по п. 1 или 2, отличающееся тем, что толщина сменных накладок не более 10 мм.

7. Устройство для нагрева жидкости и получения пара по п. 1 или 2, отличающееся тем, что ширина пазов сменных накладок меньше ширины промежутка между соседними пазами накладок.

8. Устройство для нагрева жидкости и получения пара по п. 1 или 2, отличающееся тем, что сменная накладка выполнена из жаропрочных сплавов, и/или керамики, и/или легких сплавов с керамическим покрытием, и/или композитных материалов, и/или материалов, обработанных методами лазерной или гидроабразивной резки.

9. Устройство для нагрева жидкости и получения пара по п. 1 или 2, отличающееся тем, что корпус выполнен из нержавеющей стали, и/или алюминиевых, и/или бронзовых, и/или латунных, и/или магниевых сплавов, и/или полимерных, и/или композитных материалов.

10. Устройство для нагрева жидкости и получения пара по п. 1 или 2, отличающееся тем, что основание содержит манжету и седло торцевого уплотнения.

11. Устройство для нагрева жидкости и получения пара по п. 1 или 2, отличающееся тем, что основание корпуса закреплено к приводу либо установлено с ним на общей раме.

12. Устройство для нагрева жидкости и получения пара по п. 2, отличающееся тем, что угол сужения выступов диска составляет от 20 до 45°.

13. Устройство для нагрева жидкости и получения пара по п. 2, отличающееся тем, что внешний выступ диска является центрирующим для сменных накладок.

14. Устройство для нагрева жидкости и получения пара по п. 2, отличающееся тем, что толщина диска между выступами меньше толщины выступов диска более чем в два раза.

15. Устройство для нагрева жидкости и получения пара по п. 2, отличающееся тем, что толщина диска между выступами равна толщине диска.

16. Устройство для нагрева жидкости и получения пара по п. 2, отличающееся тем, что толщина центрального выступа диска больше внешнего выступа диска.