Охладитель воды аэродинамический Российский патент 2025 года по МПК F28D11/02 F28C3/08 

Изобретение относится к установкам технологического охлаждения воды (жидкостей), например, для систем кондиционирования воздуха.

Известно устройство, представленное в описании изобретения "охладитель воды центробежный", патент на изобретение РФ №2761699, МПК F28C 3/06, F24F 6/16, опубл. 13.12.2021, бюл. №35.

В этом охладителе воды, содержащем открытый вращающийся поддон со слоем воды на его стенках, выполненным преимущественно в виде кругового цилиндра (трубы, стакана), причем в пограничном с водой слое воздуха размещают аэродинамические разделители с возможностью их перемещения и фиксации по радиусу поддона, вращающегося с окружной скоростью более 300 м/с, при такой скорости поверхности воды на границе сред возникает ощутимый вакуум. Когда в тонком приповерхностном подслое понижается статическое давление воздуха до уровня (около 1000 Па), соответствующего парциальному давлению водяных паров возникает процесс пузырькового кипения воды (t_кип≈7°С) вызывающий очень интенсивное охлаждение вращающегося слоя воды и паронасыщение-увлажнение воздуха, проходящего через поддон. Размещение подвижных аэродинамических разделителей потока способствуют повышению энергоэффективности применения данного устройства.

К недостатку приведенного аналога можно отнести затрудненное отведение водяных паров образуемых кипящей водой при конструктивном увеличении длины поддона - это сдерживает перспективу повышения холодопроизводительности единичного устройства. К тому же при рассмотрении физических тепло-массообменных процессов не задействована наружная поверхность вращающегося поддона, на которой создается максимальное понижение статического давления воздуха.

Известно также устройство, представленное в описании изобретения "охладитель воды низкотемпературный", патент на изобретение РФ №2786840, МПК F28D 11/02, опубл. 6.12.2022, бюл. №36.

В этом охладителе воды, содержащем не герметичный вращающийся поддон со слоем воды на его стенках, выполненным преимущественно в виде кругового цилиндра (трубы), снабженный водовыпускными отверстиями, его привод, корпус, кожух-сборник охлажденной воды, патрубки теплой и охлажденной воды, отличающийся тем, что торцевые отверстия поддона снабжают герметичными заглушками, в поддоне размещают паровоздушные каналы проложенные через слой воды, входные отверстия которых располагают над ее поверхностью, а выходные отверстия фиксируют в стенке поддона на ее наружной поверхности вращающейся с окружной скоростью более 300 м/с. При такой скорости наружной поверхности поддона возникает ощутимый вакуум, который через паровоздушные каналы передается внутрь поддона. Когда в тонком приповерхностном подслое понижается статическое парогазовое давление до уровня (около 1000 Па), соответствующего парциальному давлению насыщенных водяных паров возникает процесс пузырькового кипения воды (t_кип~≈7°С), вызывающий очень интенсивное охлаждение вращающегося слоя воды и генерируемого водяного пара, удаляемых из поддона.

К недостатку описанного аналога можно отнести повышенную расчетную механическую нагрузку, которую определяет возникающая центробежная сила давления на поверхность, вращающегося поддона, удерживающего слой воды. Указанный недостаток проявляется при конструктивном увеличении длины вращающегося поддона - это сдерживает перспективу повышения холодопроизводительности единичного устройства. Недостатком также является взаимодействие охлажденной воды и насыщенного пара внутри кожуха после их вылета через выпускные отверстия из поддона и резкого повышения статического давления до величины атмосферного. При этом может наблюдаться частичная конденсация насыщенного пара, выделяется теплота конденсации понижающая эффективность (KПД) процесса охлаждения воды.

Наиболее близким к заявленному техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является "охладитель воды роторный", патент на изобретение РФ №2819470, МПК F28D 11/08, F28C 3/08, опубл. 21.05.2024, бюл. №15.

В данном охладителе содержащим полый ротор, вращающийся с окружной скоростью наружной поверхности более 300 м/с, выполненным в виде прямого кругового цилиндра с заглушенными торцевыми стенками и слоем воды на его внутренней поверхности, входными отверстиями для теплой воды и выпускными отверстиями для охлажденной воды и пара, его привод, каркас и кожух в полости которого вокруг наружной поверхности ротора образуют основную камеру для сбора охлаждаемой воды снабженную выпускным патрубком и дополнительную камеру, размещенную над крайним участком цилиндрической поверхности ротора для сбора пара и пароконденсата, снабженную выпускными патрубками, причем для перемещения пара к выпускным отверстиям образуют канал между торцевой стенкой и перегородкой снабженной центральным отверстием и герметично соединенной с цилиндрической стенкой ротора.

Предлагаемая конструкция охладителя способствует реализации раздельного выведения за пределы ротора охлажденной воды и пара и их раздельный сбор. Это обеспечивает повышение энергетической эффективности (КПД) процесса охлаждения воды при сокращении паразитных потерь при наличии частичной конденсации (повышения температуры) образовавшегося водяного пара.

Описанное устройство принято за прототип изобретения.

К недостатку прототипа можно отнести механические-прочностные ограничения по величине диаметра ротора и его длины (внутреннего объема ротора) и частоты его вращения. Это приводит к ограничению повышения единичной холодопроизводительности описанного устройства, а также его эксплуатационной надежности.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание более энергоэффективного и экологичного охладителя воды аэродинамического (ОВА), содержащего вращающийся полый ротор, разделенный на участки, выполненные в виде прямых круговых цилиндров с заглушенными наружными и внутренними круговыми торцевыми стенками, слоем воды на внутренней поверхности его основного участка, снабженного входными отверстиями для теплой воды, выпускными отверстиями для охлажденной воды и выпускным отверстием для пара и сопутствующих мелких капель, направляемых в дополнительный участок снабженный входным и выпускными отверстиями для пара и сопутствующих мелких капель, приводы участков, каркас и кожух расположенный вокруг наружной поверхности ротора, образующий основную камеру для сбора охлажденной воды снабженную выпускным патрубком и дополнительную камеру, размещенную над участком поверхности ротора для сбора пара и сопутствующих мелких капель, снабженную выпускными патрубками, отличающийся тем, что участки ротора выполнены раздельными, снабжены автономными приводами и торцевыми стенками с центральными отверстиями, между которыми образуют герметизируемый канал для перемещения пара и сопутствующих мелких капель из основного участка ротора, вращаемого с окружной скоростью его наружной поверхности, превышающей 300 м/с.

Указанная задача решается за счет разделения ротора на участки, снабженные автономными приводами. При этом более эффективно реализуется раздельное выведение за пределы ротора охлажденной воды и пара с сопутствующими мелкими каплями и их раздельный сбор. Что способствует существенному сокращению паразитных потерь при возможной частичной конденсации удаляемого водяного пара. При этом допускается возможность многократного (например, на порядок) уменьшения частоты вращения основного участка ротора.

Для осуществления предполагаемого изобретения в полости кожуха вокруг наружной поверхности ротора образуют основную камеру для сбора охлажденной воды снабженную выпускным патрубком и дополнительную камеру, размещенную над дополнительным участком ротора предназначенную для сбора пара и мелких капель, снабженную выпускными патрубками, причем для перемещения насыщенного пара и сопутствующих мелких капель образуют равновеликие отверстия в центральных частях ближайших боковых стенок участков ротора, а зазор, разделяющий торцевые стенки участков ротора, герметизируют, создавая, канал для перемещения указанных сред.

Поставленная задача решается следующим образом.

При начальном относительно плавном повышении частоты вращения дополнительного участка ротора и достижении окружной скорости вращения его наружной поверхности более 300 м/с на наружной поверхности и внутри дополнительного участка ротора возникает практически ощутимый вакуум, который через отверстия в близкорасположенных боковых стенках участков ротора при герметизируемом зазоре (канале) между элементами этих стенок выравнивает и стабилизирует величину паровоздушного давления во всей внутренней полости участков ротора. В полость основного участка ротора за счет большой разности статических давлений поступает (всасывается) охлаждаемая вода, например, через отверстия, образованные в стенке приводного полого вала.

Когда статическая составляющая паровоздушного давления понизится до уровня, соответствующего расчетному давлению водяных паров возникает процесс пузырькового кипения воды вызывающий очень интенсивное охлаждение всей массы воды находящейся в полости ротора. Всасываемая в полость ротора вода распыляется и образовавшиеся капли вскипают (взрываются), при соответствующей пониженной температуре. Одновременно охлаждаемая вода покрывает тонким слоем внутреннюю цилиндрическую поверхность основного участка вращающегося ротора, частично вскипает и охлаждается. Каждая охлажденная условная порция воды, находящаяся в основном участке ротора, под действием центробежной силы последовательно перемещается (выдавливается) через выпускные отверстия в паровоздушную приповерхностную зону и далее достигая стенки камеры кожуха стекает по ней в сборник охлажденной воды. Далее через выпускной патрубок вода направляется, например, в накопительную емкость.

Образующийся водяной пар и сопутствующие мелкие капли выводятся из основного участка ротора через выпускное отверстие, расположенное в центральной части его боковой стенки (затем герметизируемый зазор-канал), и через осесимметричное входное отверстие дополнительного участка ротора направляется к периферийным выпускным отверстиям, расположенным в его цилиндрической стенке. Водяной пар с незначительным количеством мелких капель собирается в дополнительной камере кожуха с последующей их транспортировкой через патрубки и возможным дальнейшим использованием, например, для увлажнения воздуха при его кондиционировании.

В "паровой" камере дополнительного участка ротора поддерживается атмосферное давление парогазовой среды поэтому при резком изменении скорости движения и статического давления часть насыщенного пара может конденсироваться - конденсат стекает по стенкам паровой камеры в его сборник, снабженный выпускным патрубком, а непосредственно пар через другой патрубок выводится за пределы кожуха ОВА.

Для охлаждения значительной расчетной массы воды, находящейся в специальной накопительной емкости до нормируемой температуры, требуется организовывать процесс многократной циркуляции охлаждаемой воды через основной участок ротора.

Сущность изобретения и его технический результат заключается в повышении энергетической эффективности (КПД) охладителя воды и удельной холодопроизводительности ОВА. Указанная задача решается за счет разделения цилиндрического ротора (и соответственно кожуха) на участки, которые можно вращать с различной частотой. Кожух ОВА также разделяют на основную камеру сбора и отведения охлажденной воды и дополнительную камеру сбора и отведения образовавшегося пара и его возможного конденсата, которое направлено на предотвращение передачи теплоты конденсации (паразитного подогрева охлажденной воды) выделяющейся при резком изменении скорости движения и статического давления водяного пара (до величины атмосферного давления) происходящих в дополнительной камере кожуха.

Технический результат достигается тем, что в охладителе воды аэродинамическом, содержащем вращающийся полый ротор, разделенный на основной и дополнительный участки, выполненные в виде прямых круговых цилиндров с заглушенными наружными и внутренними круговыми торцевыми стенками, слоем воды на внутренней поверхности его основного участка, снабженного входными отверстиями для теплой воды на валу ротора, выпускными отверстиями для охлажденной воды на поверхности основного участка, и выпускными отверстиями для пара и сопутствующих мелких капель, направляемых в дополнительный участок, снабженный входным и выпускными отверстиями для пара и сопутствующих мелких капель, кожух, расположенный вокруг наружной поверхности ротора, образующий основную камеру для сбора охлажденной воды, снабженную выпускным патрубком, и дополнительную камеру, размещенную над участком поверхности ротора для сбора пара и сопутствующих мелких капель и снабженную выпускными патрубками, и каркас, согласно изобретению, участки ротора выполнены раздельными, снабжены автономными приводами и торцевыми стенками с центральными отверстиями, между которыми образуют герметизируемый канал для перемещения пара и сопутствующих мелких капель из основного участка ротора в дополнительный, причем дополнительный участок ротора вращают с окружной скоростью наружной поверхности более 300 м/с.

Также возможны частные варианты выполнения охладителя, заключающиеся в нижеследующем.

В охладителе основной участок ротора выполнен большего наружного диаметра относительно аналогичного диаметра дополнительного участка ротора.

В охладителе перед центральным выпускным отверстием торцевой стенки основного участка ротора, предназначенным для перемещения образовавшегося пара и сопутствующих мелких капель, или непосредственно в этом отверстии, устанавливают каплеотделитель.

В охладителе внутри дополнительной камеры кожуха на его стенке размещают с зазором над наружной поверхностью ротора подвижные пластины, ориентированные плоскостью вдоль оси.

В охладителе между кромками центральных отверстий, расположенных в торцевых стенках участков ротора, размещают вращающийся патрубок, образующий канал транспортировки пара и сопутствующих мелких капель из основного в дополнительный участок ротора, причем патрубок герметично закрепляют в торцевой стенке основного участка ротора соосно с его приводным валом и герметизируют подвижное соединение кромки отверстия образованного в стенке дополнительного участка ротора с поверхностью патрубка.

В охладителе между кромками отверстий, сформированных в центрах торцевых стенок участков ротора, образуют канал, выполненный в виде неподвижного патрубка, зафиксированного в каркасе и образующего канал, соединяющий выпускное и входное отверстия для перемещения пара и сопутствующих мелких капель, причем, зазоры между вращающимися кромками указанных отверстий в торцевых стенках и поверхностью патрубка герметизируют, опорные подшипники приводных валов обоих участков ротора размещают, например, внутри неподвижного патрубка.

В охладителе в торцевой стенке дополнительного участка ротора образуют выпускные отверстия для пара и сопутствующих мелких капель размещенные непосредственно вдоль кругового герметичного стыка с его цилиндрической стенкой, причем указанная торцевая стенка примыкает к герметизируемому зазору, образованному между участками ротора.

В охладителе крыльчатку вентилятора, способствующего перемещению пара и сопутствующих мелких капель из основного участка ротора, закрепляют соосно с приводным валом, причем наружный диаметр крыльчатки не превышает диаметр выпускного отверстия, образованного в торцевой стенке этого участка.

В охладителе часть каркаса выполнена в виде несущей плавающей платформы, размещенной в емкости с охлаждаемой водой.

В описываемой конструкции ОВА для отвода генерируемого пара из полости основного участка ротора близкорасположенные боковые стенки его участков снабжены центральными осесимметричными равновеликими отверстиями, предназначенными для распространения вакуума по всему объему ротора и перемещения через них генерируемого пара сопутствующих мелких капель в полость дополнительного участка ротора, затем в полость дополнительной камеры кожуха и далее за его пределы. Технологический зазор между элементами боковых стенок участков ротора герметизируют - образуют канал. Расположение отверстий именно в центре круговых торцевых стенок участков ротора способствует значительному уменьшению сопутствующего уноса мелких капель аэрозоля образующихся в полости основного участка ротора.

Решение о разделении вращающегося ротора на участки предопределяет возможность многократного уменьшения частоты вращения основного участка ротора и увеличения его внутреннего объема при рациональном увеличении диаметра и длины этого участка.

Таким образом, задача предполагаемого изобретения решена.

Для достижения в полости ротора низкотемпературного вскипания капель и вращающегося слоя воды при температуре около 7°С и охлаждения основной массы воды, находящейся внутри основного участка ротора, необходимо создать в нем вакуум около 1000 Па. Реализовать столь низкотемпературное вскипание воды возможно при обеспечении расчетной скорости движения наружной поверхности дополнительного участка ротора около 400÷410 м/с (расчет приведен ниже).

Примечание. Наиболее высокоскоростные и конструктивно совершенные, близкие по диаметрам, длине и окружной скорости вращения являются газовые центрифуги, применяемые для разделения - обогащения изотопов урана, надежное безостановочное вращение которых на практике применяется уже в течение десятков лет. Длина вращающегося в вертикальном положении цилиндрического ротора в таких центрифугах как правило составляет несколько метров. Причем центрифуги обычно применяют в блоках модулей содержащих сотни образцов.

Предварительные упрощенные расчеты позволяют оценить (прогнозировать) возможную холодопроизводительность предлагаемого водоохлаждающего устройства.

Рассмотрим вариант (пример) компактного ОВА со следующими размерами вращающихся участков ротора: наружный диаметр дополнительного участка ротора 0,605 м, внутренний диаметр 0,6 м при его длине, L_ду=0,1 м, наружный диаметр основного участка ротора 0,805 м, внутренний диаметр 0,8 м при его длине L_oy=1,0 м.

Уравнение (закон) Д. Бернулли:

В пограничном ламинарном воздушном подслое граничащим с наружной поверхностью участков ротора, вращающихся с большой окружной скоростью, движение молекул воздуха относительно этих поверхностей всегда принимают равным нулю.

В ламинарном подслое воздуха его динамическое давление полностью преобразуется в статическое давление - происходит безударное затормаживание воздушного потока:

(Б - барометрическое давление окружающего воздуха).

Заметим, что условия для скачкообразного динамического изменения плотности воздуха отсутствуют, т.к. отсутствуют поверхности физических тел с резкими - не плавными обводами, обтекаемые высокоскоростным воздушным потоком - отсутствует эффект возникновения ударных волн, скачков уплотнения, нарушающих структуру установившегося воздушного потока.

Примечания. В приведенном расчете не учитываются некоторые физические эффекты, положительно влияющие на достижение желаемого технического результата.

1. Понижение давления воздуха в рассматриваемом приповерхностном слое на наружной поверхности ротора за счет действия центробежных сил дополнительно способствует увеличению эффекта вакуумирования ламинарного подслоя.

2. Вода, направляемая в основной участок ротора для ее низкотемпературного охлаждения, всасывается и мелко распыляется, образуя большую контактную поверхность за счет значительного перепада давления - значительного вакуума внутри полого вращающегося основного участка ротора. Летящие капли воды мгновенно (взрывоподобно) начинают охлаждаться, часть капель осаждается на внутренних стенках ротора, на которых образуется тонкий слой кипящей воды.

Для инициирования режима кипения воды при температуре ~7°С необходимо создать давление пара (статическое) над поверхностью воды приближенное к таковому над условной наружной поверхностью дополнительного участка ротора: Р_полн=Р_ст≈1000 Па.

При этих условиях плотность воздуха около поверхности ротора ρ рассчитываем по формуле:

где: М - молярная масса водяного пара, 0,029 кг/моль,

R - универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/моль⋅К; Нм/моль⋅K,

Т - температура в пограничном слое пара, 280 K.

Расчетная окружная скорость наружной поверхности дополнительного участка ротора (приравненная скорости заторможенного воздуха в баротропном процессе - P/ρ=Const при Т=280 K):

Необходимая частота вращения дополнительного участка ротора составит:

Рассчитаем время охлаждения воды, находящейся в емкости, на 5°С.

Масса охлаждаемой воды, находящейся в накопительной емкости - принимаем 1000 кг.

Количество отводимой теплоты для охлаждения воды в указанной емкости на 5°С:

где: с - теплоемкость воды ≈1 кДж/кг K С учетом потерь теплоты на охлаждение окружающего воздуха, контактирующего с наружными поверхностями ОВА, принимаем коэффициент запаса K=1,2:

Масса воды, испаряемая внутри основного участка ротора для ее охлаждения:

где: r_w - теплота парообразования воды при t=7°С, 2484 кДж/кг

в пространстве полого ротора генерируется количество насыщенного водяного пара

где: ρ_п=130 м³/кг плотность насыщенного водяного пара при t=7°С, Р=1000 Па.

Объем полости основного участка ротора (испарительной части полости ротора) насыщаемый водяным паром при испарении каждой условно-расчетной порции воды.

где: s_д - площадь торцевой стенки ротора (с одной стороны),≈0,5 м²,

L_оу - длина основного участка (испарительной части) полого ротора, 1 м.

Принимаем расчетное время испарения каждой порции воды, находящейся в полости ротора условно дискретного цикла взрывного кипения-охлаждения, выведения из пределов основного участка ротора охлажденной воды и пара и подачи условной новой порции воды внутрь ротора равное 1 сек. При этом получаем объемный расход пара V_pw=0,5 м³/с.

Количество теплоты, отнимаемое от массы воды в виде капель аэрозоля, генерируемого внутри полого ротора и водяного слоя на внутренней поверхности ротора при взрывном поверхностном вскипании воды или полная холодильная мощность Q_x охладителя воды:

где: - время кипения и охлаждения расчетной массы воды M_w=1000 кг, находящейся в накопительной емкости.

Расход охлаждаемой воды, циркулирующей через полость ротора и основную камеру кожуха, предназначенную для сбора воды:

Количество водяного пара испаряющегося внутри основного участка ротора с поверхностности капель мелкодисперсного аэрозоля и поверхности вращающегося слоя воды - поступающего в полость дополнительного участка ротора затем через выпускные отверстия выводимый в паровую камеру кожуха и уже потом через патрубок, направляемый на технологические нужды (расчетная производительность устройства в качестве увлажнителя воздуха):

с учетом возможных потерь Полезная расчетно-прогнозируемая холодопроизводительность составит 9,5 кВт (достаточна, например, для применения в бытовых, административных или офисных помещениях площадью до 80÷400 м², а также в кабинах и контейнерах тяжелой мобильной техники).

Техническим результатом изобретения является создание ОВА преимущественно для энергетических установок, использующих системы рециркуляции воды в стационарных и транспортных объектах, например, для кондиционирования воздуха. Можно сказать, что предложена конструкция малогабаритной низкотемпературной вакуумной градирни, при этом дополнительный участок ротора выполняет функцию вакуумного насоса.

Дополнительно оценим минимальную частоту вращения ротора, при которой может осуществляться отвод охлажденной воды из вакуумированной полости его основного участка и сбор воды в емкости, находящейся при атмосферном давлении воздуха.

Принимаем расчетную толщину слоя воды удерживаемого центробежной силой на внутренней поверхности основного участка ротора Δ=0,005 м. При этом вращающийся слой воды, находящейся на внутренней стенке ротора должен оказывать давление на эту стенку равное (или превышающее) давление, оказываемое окружающей атмосферой на внешнюю поверхность ротора.

Давление (центробежное) слоя воды на вращающуюся внутреннюю стенку цилиндрического ротора рассчитывают по выражению:

где: ρ_w - плотность воды, 1000 кг/м³,

R_вн - внутренний диаметр основного участка ротора, 0,8 м,

r_w - внутренний диаметр слоя воды удерживаемый при ее вращении, 0,79 м.

Тогда минимальная частота вращения основного участка ротора указанная величина более чем на порядок меньше частоты вращения дополнительного участка ротора.

Проанализируем также потенциал дополнительного участка ротора, обеспечивающего поддержание расчетного вакуума в полости обоих его участков.

Максимальной (предельной) скоростью истечения насыщенного водяного пара из отверстий, образованных в цилиндрической стенке дополнительного участка ротора является величина скорости звука (условно 300 м/с). Рассчитанный ранее расход пара при его удельном объеме 130 м³/кг составляет 0,5 м³/с (3,85 г/с).

Определим минимальное суммарное сечение выпускных отверстий для пара и мелких капель в цилиндрической обечайке дополнительного участка ротора:

где: V_п - объемный расход пара,

v_п - скорость пара в выпускных отверстиях (средняя),

F_отв - площадь отверстий (суммарная), F_отв=0,5 / 300=0,00167 м².

При длине наружной цилиндрической поверхности дополнительного участка ротора 0,1 м площадь ее поверхности составит

Тогда коэффициент перфорации цилиндрической поверхности (доля площади отверстий) составит: Даже при уменьшении расчетной скорости пара на порядок величина коэффициента перфорации дополнительного участка ротора будет соответствовать допустимым значениям.

Оценим дополнительно скорость пара покидающего основной участок ротора при прохождении через выходное центральное отверстие (канал) равное, например, половине площади поверхности торцевой стенки дополнительного участка ротора:

- допустимая величина (особенно при вакууме).

В представленных ниже результатах расчетов (табл. 1) принято статическое давление паровоздушной среды, внутри кожуха равное барометрическому, Б=101300 Па. Указанная частота вращения ротора соответствует поддержанию в баротропном процессе условного расчетного статического давления паровоздушной атмосферы, находящейся внутри ротора и в пограничном с кипящей водой (заторможенном) подслое, приравненном давлению воздуха в подслое пограничном с наружной вращающейся поверхностью дополнительного участка ротора, D_нар=0,605 м.

Рассмотрим (оценим) возможности вакуумирования приповерхностного паровоздушного слоя при переменной частоте вращения ротора - проанализируем дополнительные расчетные параметры воздушного потока, пограничного с поверхностью дополнительного участка вращающегося ротора, которые приведены в табл. 1. Параметры воздушного потока пограничного с наружной поверхностью дополнительного участка вращающегося ротора, инициирующие кипение воды (округленные значения).

Анализируя результаты расчетов, представленные в табл. 1 можно выделить три расчетных диапазона окружной скорости наружной поверхности дополнительного участка ротора условно равной скорости, контактирующего с ней (прилипающего) приповерхностного паровоздушного потока, окружающего поверхность ротора: ÷ 0100 м/с статическое давление в паровоздушном потоке практически равно барометрическому, Р_ст≈100000 Па; температура кипения воды ≈100°С;

- 20÷300 м/с статическое давление в паровоздушном потоке уменьшается примерно на 25-50%; температура кипения воды понижается до 90÷80°С;

- 310÷410 м/с статическое давление в паровоздушном потоке очень быстро уменьшается (примерно на порядок) до значения Р_ст≈1000 Па; температура кипения воды стремительно понижается примерно с 70°С до 7°С.

Пограничный паровоздушный слой-подслой толщиной, измеряемой миллиметрами или их долями, обладает способностью прилипания к контактной поверхности вблизи наружной поверхности ротора (скорость на поверхности нулевая), в нем преимущественно проявляются свойства ламинарного вязкого взаимодействия замедленно перемещающихся внутри более тонких квазимолекулярных паровоздушных слоев. Этот ламинарный подслой с противоположной стороны контактирует (граничит) также с тонким, называемым турбулентным подслоем воздуха, в котором лишь частично проявляются вязкостные и в большей степени хаотичные пульсирующие вихревые турбулентные свойства движущегося воздушного потока.

Если окружная скорость наружной поверхности вращающегося ротора по представленному расчету составляет, например, 400 м/с, то на внешней поверхности образовавшегося пограничного (заторможенного) слоя воздуха расчетная скорость составляет 99% (396 м/с) скорости поверхности ротора [Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя. "Наука", М., 1974, 712 с.].

При этом в условно неподвижном относительно наружной поверхности дополнительного участка ротора ламинарном подслое пониженное статическое давление воздуха будет определяться (рассчитываться) полным преобразованием пограничного межслойного динамического давления движущегося воздуха (полным его безударным торможением со скорости 400 м/с) в его статическое давление.

В турбулентном пограничном подслое генерируются процессы, способствующие вакуумированию воздуха, находящегося в ламинарном подслое. На расчетной границе ламинарного и турбулентного подслоев наблюдается наибольший градиент падения величины скорости (проскальзывания слоев) воздуха.

Примечание. Столь значимые скоростные изменения можно наблюдать на границе эжектирующей (всасывающей) струи, например, паро-эжектора, создающего значительный вакуум в камере смешения подключенной к испарителю холодильной машины [Захаров Ю.В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины. - 3-е изд., перераб. и доп.- СПб.: Судостроение, 1994. - 504 с.].

Работоспособность струйных эжектирующих устройств (эжекторов, пульверизаторов, краскопультов, карбюраторов и т.д.) основана на известном законе Д. Бернулли - это утверждается во многих источниках популярной и технической литературы [Я.И. Перельман. Занимательная физика. Центрполиграф, 2017. -256 с.].

Условную (расчетную) контактную границу между турбулентным и ламинарным подслоями пара в ОВА с достаточной достоверностью можно отождествлять с наружной контактной границей высокоскоростной струи, образуемой в паровоздушном эжекторе.

Это предопределяет возможность эжектирования и удаления молекул пара из приповерхностных ламинарных зон дополнительного участка ротора, которые объединены через выпускные отверстия с его внутренним объемом, т.е. паровоздушное давление в этих приповерхностных зонах (подслоях) будет понижаться, а молекулы водяного пара и воздуха будут перемещаться из полости ротора в дополнительную паровую камеру кожуха и далее выводится через патрубок, например, в окружающую воздушную атмосферу.

В ламинарном подслое воздуха доля кинетической энергии - особенно приграничной (переходной) наиболее динамичной части турбулентного подслоя передается молекулам (газовым и паровым частицам) воздуха, подсасываемым и транспортируемым в турбулентный подслой.

По мере нарастания частоты вращения и окружной скорости поверхности ротора и при ее достижении и затем превышении величины скорости звука в паровоздушной среде аэродинамические процессы в тонком приповерхностном слое принципиально изменяются. Ускоряющийся свехзвуковой паровой поток будет расширятся (в дозвуковом диапазоне скоростей наблюдается обратный эффект сжатия линий тока при увеличении скорости воздуха).

При расчетных окружных скоростях движения наружной поверхности дополнительного участка ротора (400÷410 м/с), способствующих возникновению необходимого вакуума - режима для низкотемпературного кипения воды образуется "отсоединенный" от наружной поверхности ротора виртуальный звуковой барьер в виде воображаемой коаксиально расположенной тонкой квазицилиндрической поверхности, разделяющий дозвуковую и сверхзвуковую приповерхностные зоны с различающимися аэродинамическими свойствами. Заметим, что, направляясь в турбулентный подслой образованная смесь молекул направляется в зону с более высоким статическим давлением воздуха близким к атмосферному (как и в паровоздушном эжекторе) за счет резкого падения (на порядок и более) кинетической энергии - торможения смеси молекул, изначально принадлежащих к смежным пограничным подслоям.

Положительное влияние на рассматриваемый процесс также оказывает возникающая при вращении дополнительного участка ротора центробежная сила интенсифицирующая перемещение молекул водяного пара за его пределы.

(1). Дополним ОВА рядом отличительных конструктивных усовершенствований, способствующих повышению его эффективности, см. фиг. 1.

2. Основной участок ротора, содержащий тонкий вращающийся слой воды на его внутренней поверхности может быть изготовлен (для увеличения объема) большего диаметра и его достаточно вращать с меньшей (примерно на порядок) частотой при сохранении работоспособности ОВА по сравнению с аналогичными показателями дополнительного участка, вращаемого с окружной скоростью наружной поверхности более 300 м/с. В полости дополнительного участка ротора создается нормируемый вакуум, который обеспечивает перемещение (удаление) пара из полости основного участка ротора, в котором испаряется и охлаждается вода.

3. Для значительного уменьшения (предотвращения) уноса мелких капель воды из полости основного участка ротора в его дополнительный участок и далее в объем, ограниченный кожухом для сбора пара, перед центральным выпускным отверстием торцевой стенки, предназначенным для перемещения, образовавшегося пара и сопутствующих мелких капель или непосредственно в этом отверстии устанавливают каплеотделитель. Расчетная окружная скорость дополнительного участка ротора позволяет преодолевать (нейтрализовать) дополнительное сопротивление для перемещения пара, которое оказывает каплеотделитель.

4. Над вращающейся наружной поверхностью дополнительного участка ротора внутри дополнительной камеры кожуха размещают подвижные фиксируемые пластины (пластинчатые перегородки) плоскость которых ориентирована одновременно вдоль оси вращения участка и вдоль радиуса ротора. Регулируемый зазор над поверхностью ротора обеспечивает затормаживание и отсекание воздушнопарового присоединенного потока увлекаемого его вращающейся поверхностью. Такие пластины способствуют более эффективному переходу (пролету) удаляемого из ротора пара через виртуальную квазицилиндрическую приповерхностную границу, движущуюся со скоростью звука. Установление оптимального зазора производят в период пуско-наладочных испытаний ОВА.

5. При значительном трудно герметизируемом расстоянии (зазоре) между торцевыми стенками участков ротора размещают прямой вращающийся патрубок, образующий канал транспортировки пара и сопутствующих мелких капель из основного в дополнительный участок ротора, причем патрубок герметично закрепляют в торцевой стенке основного участка соосно с его приводным валом и герметизируют подвижное соединение кромки отверстия образованного в стенке дополнительного участка ротора с поверхностью патрубка.

6. Размещение начального и конечного отрезка патрубка, закрепленного (преимущественно неподвижно) в каркасе, образующего канал транспортировки пара и сопутствующих мелких капель из основного в дополнительный участок ротора, производят соосно с приводными валами основного и дополнительного его участков. Конец вала основного участка и (возможно) дополнительного участка закрепляют в опорных подшипниках. Технологические зазоры между кромками торцевых стенок участков ротора ограничивающих центральные отверстия и поверхностью патрубка герметизируют, образуя, например, лабиринтные уплотнения, причем опорные подшипники валов ротора, как вариант, размещают внутри патрубка. При этом обеспечивают обдув подшипников удаляемым потоком охлажденного пара и сопутствующих мелких капель воды. Охлаждение подшипника при частичном испарении сопутствующих капель в удаляемом потоке положительно влияет на эффективность ОВА. Подразумевается также возможность применения патрубка с заданной (или изменяемой) геометрией его оси при отличающемся от соосного расположения приводных валов участков ротора.

7. В торцевой стенке дополнительного участка ротора образуют выпускные специальные отверстия для пара и сопутствующих мелких капель размещенные непосредственно вдоль кругового герметичного стыка с его цилиндрической стенкой, причем указанные отверстия образуют в торцевой стенке, примыкающей к зазору, образованному между участками ротора. Такие отверстия способствуют аэродинамическому уплотнению технологического зазора между участками ротора. Усилению аэродинамического уплотнения зазора способствует также образование выступов (ребер) на наружной поверхности торцевой стенки дополнительного участка в виде архимедовой спирали с ее центром на оси приводного вала.

8. Внутри патрубка или выходного отверстия, образованного в торцевой стенке основного участка ротора, закрепляют крыльчатку вентилятора, способствующую перемещению пара и сопутствующих мелких капель в полость его дополнительного участка.

9. При монтаже ротора и его приводов на плавающей несущей платформе упрощается изготовление, монтаж и эксплуатация ОВА в виде модуля готового к использованию в любой емкости располагающей достаточными габаритами. При этом не требуется поддерживать стабильный уровень воды в самой емкости. Плавающая платформа дополнительно выполняет роль теплоизолятора между охлаждаемой водой и наружным часто более теплым воздухом. В емкости с охлаждаемой водой предлагается размещать несколько роторов, приводов и кожухов охладителей воды на одной плавающей платформе или соединять отдельно плавающие платформы с автономными модульными ОВА в единый блок. Описанные технические решения способствуют повышению эффективности и холодильной мощности ОВА и наиболее предпочтительны при их применении в большом открытом водоеме-бассейне.

Предлагаемые варианты ОВА отличаются экологической чистотой, простотой, компактностью модульной конструкции и прогнозируемым малым удельным уровнем энергопотребления. Легкость управления температурой охлаждения воды изменением частоты вращения дополнительного участка ротора способствует эффективному применению ОВА, например, при использовании охлаждающих потолков в кондиционируемых помещениях.

Эффективность ОВА повышается при практическом использовании охлажденного пара, который образуется и отводиться в процессе охлаждения воды, например, для увлажнения и охлаждения воздуха в кондиционируемом объекте.

Описанное устройство позволяет охлаждать воду до температур, которые наиболее часто достигают с применением традиционных холодильных машин (чиллеров). В экологически чистом устройстве ОВА рабочим телом является вода, причем, ее кипение-охлаждение происходит внутри полости основного участка ротора.

Предлагаемый охладитель воды может рационально применяться на многих энергетических объектах, использующих систему технологического оборотного водопотребления, причем и при более высоких температурных уровнях, например, около 30°С на теплоэлектростанциях.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется рисунком, Фиг. 1.

Схематичное изображение автономного плавающего варианта (модуля) ОВА.

При этом на фиг. 1. использованы следующие обозначения:

Поз. 1 - камера кожуха дополнительная для сбора пара и сопутствующих мелких капель.

Поз. 2 - выпускные отверстия для пара и сопутствующих мелких капель.

Поз. 3 - крыльчатка вентилятора.

Поз. 4 - подшипник (центрирующий приводные валы - охлаждаемый паром).

Поз. 5 - привод дополнительного участка ротора.

Поз. 6 - патрубок выпускной для пара.

Поз. 7 - пластина подвижная (затормаживающая паровоздушный поток).

Поз. 8 - стенка ротора, снабженная выпускными отверстиями для охлажденной воды.

Поз. 9 - уплотнение лабиринтное (в зазоре между стенками участков ротора).

Поз. 10 - каплеотделитель.

Поз. 11 - вал ротора полый, снабженный входными отверстиями для теплой воды.

Поз. 12 - слой воды, удерживаемый на внутренней поверхности участка ротора.

Поз. 13 - привод основного участка ротора.

Поз. 14 - муфта подвижного соединения каналов для теплой воды.

Поз. 15 - канал подачи (всасывания) теплой воды.

Поз. 16 - камера кожуха основная для сбора охлажденной воды.

Поз. 17 - каркас; платформа - плавающая на поверхности охлаждаемой воды.

Поз. 18 - сборник охлажденной воды.

Поз. 19 - канал отведения охлажденной воды.

Поз. 20 - сборник сопутствующей (побочной) капельной влаги.

Поз. 21 - перегородка разделяющая кожух на две смежные камеры.

Поз. 22 - патрубок выпускной для собранной (побочной) капельной влаги.

Поз. 23 - специальные отверстия для аэродинамического уплотнения зазора.

Изобретение относится к устройствам охлаждения воды или других жидкостей на различных теплоэнергетических объектах, например, для систем кондиционирования воздуха. Охладитель воды аэродинамический содержит вращающийся полый ротор, разделенный на основной и дополнительный участки, выполненные в виде прямых круговых цилиндров с заглушенными наружными и внутренними круговыми торцевыми стенками, слоем воды на внутренней поверхности его основного участка, снабженного входными отверстиями для теплой воды на валу ротора, выпускными отверстиями для охлажденной воды на поверхности основного участка и выпускными отверстиями для пара и сопутствующих мелких капель, направляемых в дополнительный участок, снабженный входным и выпускными отверстиями для пара и сопутствующих мелких капель, кожух, расположенный вокруг наружной поверхности ротора, образующий основную камеру для сбора охлажденной воды, снабженную выпускным патрубком, и дополнительную камеру, размещенную над участком поверхности ротора для сбора пара и сопутствующих мелких капель и снабженную выпускными патрубками, и каркас, при этом участки ротора выполнены раздельными, снабжены автономными приводами и торцевыми стенками с центральными отверстиями, между которыми образуют герметизируемый канал для перемещения пара и сопутствующих мелких капель из основного участка ротора в дополнительный, причем дополнительный участок ротора вращают с окружной скоростью наружной поверхности более 300 м/с. Техническим результатом изобретения является повышение энергетической эффективности (КПД) и удельной холодопроизводительности ОВА непрерывного действия. 8 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Охладитель воды аэродинамический, содержащий вращающийся полый ротор, разделенный на основной и дополнительный участки, выполненные в виде прямых круговых цилиндров с заглушенными наружными и внутренними круговыми торцевыми стенками, слоем воды на внутренней поверхности его основного участка, снабженного входными отверстиями для теплой воды на валу ротора, выпускными отверстиями для охлажденной воды на поверхности основного участка и выпускными отверстиями для пара и сопутствующих мелких капель, направляемых в дополнительный участок, снабженный входным и выпускными отверстиями для пара и сопутствующих мелких капель, кожух, расположенный вокруг наружной поверхности ротора, образующий основную камеру для сбора охлажденной воды, снабженную выпускным патрубком, и дополнительную камеру, размещенную над участком поверхности ротора для сбора пара и сопутствующих мелких капель и снабженную выпускными патрубками, и каркас, отличающийся тем, что участки ротора выполнены раздельными, снабжены автономными приводами и торцевыми стенками с центральными отверстиями, между которыми образуют герметизируемый канал для перемещения пара и сопутствующих мелких капель из основного участка ротора в дополнительный, причем дополнительный участок ротора вращают с окружной скоростью наружной поверхности более 300 м/с.

2. Охладитель по п. 1, отличающийся тем, что основной участок ротора выполнен большего наружного диаметра относительно аналогичного диаметра дополнительного участка ротора.

3. Охладитель по п. 1, отличающийся тем, что перед центральным выпускным отверстием торцевой стенки основного участка ротора, предназначенным для перемещения образовавшегося пара и сопутствующих мелких капель, или непосредственно в этом отверстии устанавливают каплеотделитель.

4. Охладитель по п. 1, отличающийся тем, что внутри дополнительной камеры кожуха на его стенке размещают с зазором над наружной поверхностью ротора подвижные пластины, ориентированные плоскостью вдоль оси.

5. Охладитель по п. 1, отличающийся тем, что между кромками центральных отверстий, расположенных в торцевых стенках участков ротора, размещают вращающийся патрубок, образующий канал транспортировки пара и сопутствующих мелких капель из основного в дополнительный участок ротора, причем патрубок герметично закрепляют в торцевой стенке основного участка ротора соосно с его приводным валом и герметизируют подвижное соединение кромки отверстия, образованного в стенке дополнительного участка ротора, с поверхностью патрубка.

6. Охладитель по п. 1, отличающийся тем, что между кромками отверстий, сформированных в центрах торцевых стенок участков ротора, образуют канал, выполненный в виде неподвижного патрубка, зафиксированного в каркасе и образующего канал, соединяющий выпускное и входное отверстия для перемещения пара и сопутствующих мелких капель, причем зазоры между вращающимися кромками указанных отверстий в торцевых стенках и поверхностью патрубка герметизируют, опорные подшипники приводных валов обоих участков ротора размещают, например, внутри неподвижного патрубка.

7. Охладитель по п. 1, отличающийся тем, что в торцевой стенке дополнительного участка ротора образуют выпускные отверстия для пара и сопутствующих мелких капель, размещенные непосредственно вдоль кругового герметичного стыка с его цилиндрической стенкой, причем указанная торцевая стенка примыкает к герметизируемому зазору, образованному между участками ротора.

8. Охладитель по п. 1, отличающийся тем, что крыльчатку вентилятора, способствующего перемещению пара и сопутствующих мелких капель из основного участка ротора, закрепляют соосно с приводным валом, причем наружный диаметр крыльчатки не превышает диаметр выпускного отверстия, образованного в торцевой стенке этого участка.

9. Охладитель по п. 1, отличающийся тем, что часть каркаса выполнена в виде несущей плавающей платформы, размещенной в емкости с охлаждаемой водой.