Отопление помещений значительной площади при отсутствии централизованной подачи тепловой энергии – серьезная головная боль для владельца. Традиционный нагреватель с тенами может быть опасным из-за открытых рабочих элементов, а его энергоемкость «съест» всю ожидаемую прибыль. А классические теплогенераторы на топливе могут не справиться с поддержанием требуемой температуры на десятках квадратных метров площади. Ситуация кажется безвыходной, но это не так. Оптимальное решение в данном случае – вихревой теплогенератор, в основу которого положен принцип кавитационных процессов.
Первые опыты устройства подобного типа проводились еще в 30-х годах прошлого столетия и активно готовились к внедрению в 50-х годах. Но беспечное человечество, полагающееся на безопасность топливных ресурсов, посчитало это изобретение ненужным, и работы были свернуты. Лишь в конце XX века, когда интенсивный рост промышленности вновь заставил задуматься об источниках энергии, о вихревых генераторах для дома вспомнили и стали доводить их до ума с целью повсеместного использования.
Конструктивные особенности вихревых теплогенераторов
Явление нагревания воздуха и других газовых смесей известно уже несколько столетий. А вот с увеличением температуры воды ничего не получалось из-за отсутствия у нее свойства сжатия. Технический прогресс помог решить эту недоработку. В ходе многочисленных опытов выяснилось, что циркуляция жидкости по камере специальной конструкции приводит к выталкиванию из ее состава молекул воздуха. При этом вода пытается раздавить образующиеся пузырьки, число которых быстро увеличивается за счет «присоединения» новых молекул. В этом явлении кроется принцип действия вихревых генераторов. Повышение давления с одновременным эффектом увеличения объема приводит к резкому росту температуры внутри пузырьков до отметки в 1000ºС. При дальнейшем поступлении их в зону уменьшенного давления возникает явление кавитации: пузырьки лопаются, а накопленная внутри тепловая энергия выделяется в окружающий воздух и нагревает его.
Способ формирования газовых пузырьков при интенсивной циркуляции жидкости имеет свои отличия в зависимости от конструктивных особенностей теплогенератора. Это позволяет вести удобную классификацию моделей.
Пассивные тангенциальные ВТГ
Устройства, камера которых имеет так называемое статическое исполнение. Она изготовлена в форме прямой или винтовой трубы и оснащена несколькими патрубками, через которые происходит съем выделенной тепловой энергии. Нагнетание жидкости и рост давления возможен благодаря работе компрессорного устройства.
Уверенное движение жидкости по емкости входного патрубка приостанавливается за счет встроенного тормозящего приспособления. В зоне внезапного расширения объема возникает эффект разреженного пространства. Образованные из воды пузырьки газа немедленно схлопываются, их них выделяется тепловая энергия и нагревает воду. Получить ценное тепло удается через несколько устройств входа-выхода, обустроенных внутри камеры. Чтобы перепад давления для явления кавитации был особенно ощутим, емкость имеет вариативную геометрическую форму, которая меняется по мере продвижения вглубь емкости.
Пассивные аксиальные теплогенераторы
В данном устройстве также ставка сделана на стационарную конструкцию камеры. Для создания завихрений и эффекта кавитации подвижные элементы здесь не используются. Нагрев теплоносителя осуществляется благодаря работе диафрагмы с цилиндрическими или спиральными отверстиями, а также наличию дросселя и сопла, создающих эффект сужения внутреннего пространства камеры. Хорошие результаты дает одновременное использование сразу нескольких типов проходных отверстий, дающих разный уровень перепадов давления. В результате прохождения воды по емкости камеры на выходной патрубок она поступает в нагретом состоянии.
Активные теплогенераторы
Альтернативный вариант устройства — вихревой генератор с подвижным элементом. Процесс кавитации осуществляется здесь внутри камер кавитационого типа с активаторами дисковой или барабанной конструкции. Вытеснение газа и образование пузырьков происходит здесь за счет вращения активатора и прохождения воды через перфорацию на его поверхности и многочисленные разнонаправленные отверстия на противоположной стенке камеры. Подобрать их количество и подходящую форму считается затруднительным даже на современном этапе развития металлообработки. Поэтому большинство моделей имеют перфорацию только на активаторе.
Область применения теплогенераторов
Долгое время вихревые генераторы для частного дома рассматривались только как устройства для альтернативного отопления. Благодаря усовершенствованию конструкции им найдено более разнообразное применение:
Обогрев жилых и производственных помещений;
Подготовка горячей воды для отдельных технологических операций;
Использование в качестве проточных водонагревателей;
Пастеризация и гомогенизация пищевых смесей и фармацевтических препаратов;
Получение потока холодной воды под давлением;
Парогенерация для поддержания микроклимата или иных производственных задач;
Смешивание, разделение и обогащение нефтепродуктов.
Преимущества и недостатки вихревых генераторов
В числе неоспоримых достоинств стоит отметить:
Экологическую безопасность;
Защищенность от взрывов и возгораний;
Возможность встраивания в уже имеющуюся систему оборудования;
Экономичность, низкую стоимость полученной тепловой энергии;
Работа без необходимости обустройства охлаждения;
Возможность эксплуатации в условиях отсутствия устройств дымоудаления и отведения вредных веществ;
Уровень КПД до 91-92%;
Защиту от образования накипи, что снижает риск порчи оборудования вследствие коррозии и разрушения элементов.
Ограничения по использованию вихревых генераторов могут быть связаны со следующими особенностями:
сравнительно высокий уровень производимого шума;
крупные размеры;
необходимость точной настройки кавитации;
затратный ремонт при выходе из строя одного из элементов конструкции.
Как собрать вихревой теплогенератор для частного дома своими руками
Для конструирования вихревого генератора для частного дома своими руками потребуются камера со встроенным диском, электродвигатель, насос, дрель-болгарка, сварка, паяльник, комплект труб и запорной фурнитуры, надежная станина. Сборку следует осуществлять в строго определенной последовательности:
на диск наносится неглубокая хаотичная перфорация;
диск закрывается кожухом, после чего камера проверяется на герметичность;
вал двигателя подключается к валу вращения диска;
двигатель с камерой надежно фиксируется на станине;
к теплогенерирующей трубе подключаются вход для холодной воды и выход для нагретого теплоносителя;
к устройству подводится внешнее электропитание;
генератор тестируется на предмет работоспособности и эксплуатации.
Конструктивные особенности устройства позволяют подключать его в уже действующую систему отопления или предусмотреть комплект отдельных радиаторов.
Кавитационный теплогенератор: применение, механизм, конструкции
Кавитационный теплогенератор – это тепловой насос, гидродинамический преобразователь энергии движения жидкости в нагрев калориферов.
Кавитация
На первый взгляд, тема кавитационных теплогенераторов представляется фантастичной и вычеркнута из Википедии, но по детальному изучению оказалась любопытной. Тем интереснее становился вопрос, чем дальше авторы углублялись в изучение. Книга Фоминского о дармовых источниках энергии начинается с описания глобальной экологической катастрофы конца XX века. Среди общеизвестных фактов о вреде двигателей внутреннего сгорания, невероятных сведений о ценности кавитационных теплогенераторов выдвигаются гипотезы об изменении режима дыхания лесов планеты и… об остановке тёплого течения Гольфстрим. В 2003 году книжка читалась как сборник фантастики. Напомним, сейчас Европа обеспокоена остановкой Гольфстрима, становится ясным, что автор сумел предсказать будущее на 10 лет вперёд.
Это наталкивает на мысль, что идея кавитационных теплогенераторов не столь утопична, как пытаются представить средства массовой информации. Известно, что КПД термоэлектрических источников составлял доли процента в начале XX века, сегодня это направление считается перспективным. Эффективность первых термопар достигала 3%, что сопоставимо с успехами паровых двигателей начала XIX века. Уже сегодня инженеры (см. скрин) говорят, что КПД кавитационного теплогенератора допустим выше единицы.
Кавитационный теплогенератор – насос. Поток жидкости просто переносит энергию из места в место. Любой кондиционер и холодильник показывают КПД выше 100%, работают по принципу теплового насоса, перекачивая энергию из одной области пространства в другую. Сопоставим с поливом деревьев: энергия электричества не может напитать корни, но стоит к двигателю приделать гребной винт, как потоки воды устремляются, чтобы принести живительную влагу. Принцип действия кавитационного теплогенератора в точности аналогичен.
Тепловой насос считается дорогим типом оборудования. Обычно качает тепло Земных недр или речного потока. Температура в указанных источниках невысока, понижая давление фреона, удаётся добиться забора тепла и доставки в нужное место. Холодильник не вырабатывает мороз непосредственно. Он разряжает фреон, за счёт законов термодинамики тепло переходит на испаритель, оттуда доставляется к радиатору на задней стенке.
Аналогичным образом кавитационные пузырьки образуются в местах, где давление воды ниже точки перехода в иное агрегатное состояние (см. рис.). Как результат, поглощается большое количество энергии. На перевод вещества в иное агрегатное состояние приходится затратить тепло. Которое берётся из окружающей воды, а та – перекачивает с корпуса кавитационного теплогенератора, потом из помещения. На корпусе тепло образуется за счёт нагнетания давления помпой. КПД выше единицы объясняется отбором тепла у окружающей среды. Высок процент использования собственных потерь генератора на нагрев обмоток и трение.
Помощь кавитационного теплогенератора
Климат сегодня сильно меняется из-за работы двигателей внутреннего сгорания. 40% углекислого газа на планете вырабатывается транспортом, значительная часть выбрасывается частными домовладельцами, жгущими топливо для обогрева. Выделяется в атмосферу сонм вредных веществ, нарушаются условия существования жизни на планете. Следовательно, энергия ТЭС не предлагается в качестве альтернативы, приносящей пользу. В силу очевидных причин.
Кавитационные теплогенераторы позволяют решить часть сложностей очевидным способом: перекачивая энергию из части пространства в другую, получится решать насущные потребности человеческой жизнедеятельности. К примеру, генератор может давать тепло и забирать. Ключевое преимущество обогревателей в том, что энергия не исчезает бесследно. Она остаётся теплом на омическом сопротивлении проводов, преодолевает силы трения. Все происходит в районе силовой установки, в конечном итоге теряется паразитными эффектами, неиспользуемыми в силу разрозненности факторов. Кавитационный генератор позволит собрать потерянные крохи простым методом: примется откачивать тепло из очага его образования:
Обмотки двигателя.
Поверхности трения.
Уже за счёт фактора КПД установки повысится: тепловые потери греют место, откуда перекачивается тепло. Это безусловный плюс. Остальное возьмётся из воздуха. Стоит вдуматься:
Холодильник летом греет кухню, КПД падает.
Кондиционер забирает жару с мороза или выкачивает холод с подсолнечной стороны здания.
А кавитационный теплогенератор способен собственные потери утилизировать с пользой. Обязан быть признан перспективным. Сложность – как получить побольше пузырьков из механического движения. Этому уже сегодня посвящены десятки, если не сотни патентов, к примеру, RU 2313036. Несложно догадаться, что для перекачивания тепло нужно откуда-то взять. Это правильная постановка вопроса, из-за упущения смысла происходящего люди не хотят верить, что кавитационный генератор – реальность: «Как теплотехник, скажу – это бред. Энергия из ниоткуда не возникает. Затрачивать меньше электроэнергии и получать больше тепловой позволяет тепловой насос.» (форум okolotok.ru)
Если профессионалу непонятно, что речь идёт о своеобразном тепловом насосе, что знает широкая публика про кавитационный теплогенератор… Установим, кому окажется полезен кавитационный теплогенератор. Доведённую до совершенства конструкцию допустимо применять:
Для отбора энергии сточных вод.
Охлаждения цехов с одновременным обогревом рабочих мест.
Обогрева помещений без использования нефти, газа, мазута, угля, дров и пр.
Механизм кавитации
Образование пузырьков возможно в движущемся потоке. Там, где резко снижено давление. К подобным местам относят гребные лопасти судов, переходники трубопроводов с разным диаметром (см. рис.). Собственно, конструкции кавитационных генераторов делят на роторные и трубчатые. Обе приводятся в движение электричеством, но принцип действия различается. Винт и труба показаны на скринах для иллюстрации сказанного.
Для объяснения происходящего нужно взглянуть на график агрегатных состояний. Там показаны твёрдое тело (solid), жидкость (liquid) и пар в виде областей для некой температуры (по горизонтали) и давления (по вертикали). Пунктирами обозначены линии:
По горизонтали – нормальное атмосферное давление.
По вертикали – точки таяния льда и кипения воды.
Видно, что в нормальных условиях пар образуется при температуре 100 градусов, при падении давления вполовину точка кипения смещается до нуля градусов Цельсия. Эффект хорошо знаком альпинистам, знающим – на высоте невозможно сварить мясо. Вода закипает уже при 70-80 градусах Цельсия.
Гребной винт судна образует пузырьки при нормальной температуре воды. Кавитация оказывает пагубное влияние. На рисунке видно, что уже через пару лет эксплуатации поверхность покрывается выщербинами. Кавитация затратна для гидравлических систем.
Образовавшийся пузырёк не лопается за счёт силы натяжения воды и двигается в область с большим давлением, уносясь потоком. Постепенно в передней части образуется вмятина, форма меняется с шаровидной, становясь похожей на эритроцит. Постепенно стенки смыкаются, получается тор (баранка). Образовавшиеся течения создают крутящий момент, фигура пытается вывернуться наизнанку. В результате колба лопается, остаётся некий сгусток турбулентностей (см. рис.). При переходе пара в иное агрегатное состояние выделяется поглощённая ранее энергия. На этом транспорт тепла заканчивается.
Разговор о вечных двигателях: научные небылицы
Виктор Шаубергер
Австрийский физик Виктор Шаубергер в бытность лесником разработал любопытную систему сплава брёвен. По внешнему виду напоминала изгибы натуральных рек, а не прямую линию. Двигаясь по столь своеобразной траектории, дерево быстрее достигало места назначения. Шаубергер пояснял это снижением сил гидравлического трения.
Ходят слухи, что Шаубергер заинтересовался вихревым движением жидкости. Австрийские любители пива на соревнованиях раскручивали бутылку, чтобы придать вращательное движение напитку. Пиво быстрее залетало в брюхо, хитрец выигрывал. Шаубергер самостоятельно повторил трюк и убедился в эффективности.
Не нужно путать описанный случай с вихрем сточной воды, всегда закручивающейся в одном направлении. Сила Кориолиса обусловлена вращением Земли и замечена, как считается, Джованни Баттиста Риччоли и Франческо Мариа Гримальди в 1651 году. Явление объяснено и описано в 1835 году Гаспаром-Густавом Кориолисом. В начальный момент времени за счёт случайного движения потока воды происходит отдаление от центра воронки, траектория закручивается по спирали. За счёт давления воды процесс набирает силу, образуется конусовидное углубление на поверхности.
Виктор Шаубергер ориентировочно 10 мая 1930 года получил патент Австрии за номером 117749 на турбину специфичной конструкции в виде заостряющегося бура. По словам учёного, в 1921 году на её основе сделан генератор, снабжавший энергией целую ферму. Шаубергер утверждал, что КПД устройства близок к 1000% (три нуля).
Вода закручивалась по спирали на входе в патрубок.
На входе стояла упомянутая турбина.
Направляющие спирали совпадали с формой потока, в результате осуществлялась максимально эффективная передача энергии.
Все прочее о Викторе Шаубергере сводится к научной фантастике. Утверждали что он изобрёл двигатель Репульсион, приводивший в движение летающую тарелку, защищавшую Берлин в период Второй мировой войны. По окончании боевых действий комиссовался и отказался делиться собственными открытиями, способными принести большой вред миру на Земле. Его история, как две капли воды, напоминает случившееся с Николой Теслой.
Считается, что Шаубергер собрал первый кавитационный теплогенератор. Имеется фото, где он стоит рядом с этой «печью». В одном из последних писем утверждал, что открыл новые субстанции, делающие возможными невероятные вещи. К примеру, очистку воды. Одновременно утверждая, что его воззрения поколеблют основы религии и науки, предрекал победу «русским». Сегодня сложно судить, насколько оставался приближен к реалиям учёный за полгода до смерти.
Ричард Клем и вихревой двигатель
Ричард Клем (Richard Clem) по собственным словам на исходе 1972 года испытывал асфальтный насос. Его насторожило странное поведение машины после выключения. Начав эксперименты с горячим маслом, Ричард быстро пришёл к выводу, что налицо нечто вроде вечного двигателя. Специфичной формы ротор из конуса, прорезанного спиральными каналами, снабжён разбегающимися форсунками. Раскрученный до некоторый скорости, сохранял движение, успевая приводить в действие масляный насос.
Уроженец Далласа задумал пробный пробег в 600 миль (1000 км) до Эль Пасо, потом решился опубликовать изобретение, но доехал только до Абилена, свалив неудачу на слабый вал. В заметках по этому поводу говорится, что конус требовалось раскрутить до некоторой скорости, а масло нагреть до 150 градусов Цельсия, чтобы все заработало. Устройство демонстрировало среднюю мощность в 350 лошадиных сил при массе 200 фунтов (90 кг).
Насос работал на давление 300 – 500 фунтов на квадратный дюйм (20 – 30 атм.), и чем выше оказывалась плотность масла, тем резвее крутился конус. Ричард вскоре умер, а наработки изъяты. Патент под номером US3697190 на асфальтный насос легко найти в интернете, но Клем на него не ссылался. Нет гарантий, что «работоспособная» версия не изъята ранее из документации бюро. Энтузиасты и сегодня строят двигатели Клема и демонстрируют принцип действия на Ютубе.
Разумеется, это лишь подобие конструкции, изделие неспособно для себя создавать свободную энергию. Клем говорил, что первый двигатель ни на что не годился, пришлось обойти 15 компаний в поисках финансирования. Мотор работает на масле для жарки, температуры в 300 градусов не выдерживает автомобильное. По заявлениям репортёров, аккумулятор на 12 В считается единственным видимым со стороны источником питания устройства.
Двигатель занесли в кавитационные по простой причине: периодически уже горячее масло требовалось охлаждать через теплообменник. Следовательно, внутри нечто совершало работу. Подумав, исследователи отнесли это на эффект кавитации у входа в насос и внутри распределительной системы трубок. Подчеркнем: «Ни один двигатель Ричарда Клема, изготовленных сегодня, не работоспособен».
Несмотря на это, Российское Энергетическое Агентство в базе данных опубликовало информацию (energy.csti.yar.ru/documents/view/3720031515) с оговоркой, что конструкция двигателя (им) напоминает турбину Николы Теслы.
Конструкции кавитационных теплогенераторов
Ссылки на то, что разработки по кавитационным двигателям засекречены, не выдерживают критики. Многие устройства действуют с КПД выше 1, если речь о перекачке тепла. Следовательно, сверхсекретного в этом нет. Конструкторы изготавливают образцы вполне работоспособных кавитационных теплогенераторов. Нельзя сказать, что КПД высок, но определённый потенциал у конструкции присутствует.
Роторные
Центрифуга Григгса считается достойным примером роторных кавитационных теплогенераторов. В устройство закачивается вода, ось начинает вращаться, приводимая в движение электродвигателем. Безусловный плюс конструкции – единственный привод служит насосом в системе отопления и нагревателем жидкой фазы. На поверхности рабочего цилиндра прорезано множество неглубоких отверстий круглой формы, где жидкость образует турбулентности. Нагрев происходит за счёт сил трения в приповерхностном слое и кавитации.
Трубчатые
На скрине из видео показана сборка кавитационного обогревателя с продольным расположением трубок. Конструкция описана в патенте RU 2313036. Помпой нагнетается давление во входной камере, жидкость устремляется сквозь конструкцию из трубок. На входе (см. рис.) образуются пузырьки за счет кавитации по описанной выше схеме. Выходя на той стороне, попадают во вторую камеру с высоким давлением, лопаются и отдают тепло.
На входе перед системой узких трубок давление жидкости повышается помпой, температура в этом месте увеличена. Указанная энергия и забирается образовавшимися пузырьками с паром для обогрева помещений. Как оговорено выше, такой тепловой насос способен на КПД более 100%, о чем заявляет автор конструкции. Каждый убедится самостоятельно, посмотрев видео на Ютуб (название канала – на скрине).
Ультразвуковые
В 2013 году опубликован патент WO2013102247 A1. После полугодового рассмотрения комиссия бюро отдала исключительные права на ультразвуковой кавитационный теплогенератор Иоэлю Дотте Эхарту Рубему. Смысл задумки в преобразовании электрического тока кварцевой пластиной. Колебания звуковой частоты подаются на вход, и устройство начинает создавать вибрации. В обратной фазе волны образуются участки разряжения, где за счёт кавитации образуются пузырьки.
Для достижения максимального эффекта рабочая камера кавитационного теплогенератора выполнена в виде резонатора на ультразвуковую частоту. Полученные пузырьки немедленно уносятся потоком через узкие трубки. Это нужно для получения разряжения, дабы пузырьки в кавитационном теплогенераторе не сомкнулись немедленно, тут же отдав энергию обратно.
Несложно догадаться, что потери минимальные, а трение отсутствует вовсе, поэтому КПД ультразвукового кавитационного теплогенератора шикарный. Учёный говорит, что перекачка тепла возможна с выигрышем в 2,5 раза. Это пока меньше полученного Виктором Шаубергером, но заставит задуматься. Устройство предположительно возможно использовать и для охлаждения помещений.
По ходу текста автор подробно объясняет механизм переотражения волны в кавитационном теплогенераторе, суть которого несущественна в рамках обзора.
Насос-теплогенератор
Использование: для прямого преобразования механической энергии в тепло, уносимое к потребителям прокачиваемой жидкостью. Сущность изобретения: насос-теплогенератор выполнен одно- или многоступенчатым в зависимости от мощности привода вращения и требуемой скорости нагрева. В каждой ступени он имеет полый корпус 1 и консольно подвешенный в корпусе на валу 4 привода вращения полый ротор 5, оснащенный по меньшей мере одним средством 7 воздействия на жидкость для ее нагрева. Для исключения блокирования выхода нагретой жидкости в широком диапазоне скоростей вращения, повышения технологичности, надежности и удобства обслуживания насос-теплогенератор имеет корпус 1, подобный корпусу центробежного насоса, с центральным всасывающим тангенциальным нагнетательным патрубками 2 и 3, полость ротора 5 выполнена состоящей из двух сообщающихся между собой и с полостью корпуса частей: из глухого со стороны вала привода центрального отверстия 8 и, по меньшей мере, одного направленного от центра к периферии ротора канала 6, выход которого имеет угловое смещение относительно входа в направлении, противоположном вращению ротора, а средство 7 воздействия на жидкость для ее нагрева выполнено в виде, по меньшей мере, одного углубления в периферийной части тела ротора, отходящего от каждого канала 6 и в направлении, противоположном направлению вращения ротора. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к конструкции насосов-теплогенераторов, которые могут быть использованы преимущественно в автономных замкнутых системах теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий в местностях, богатых источниками даровой механической энергии, в частности энергии ветра и водных потоков. В особенности такие насосы-преобразователи механической энергии в тепловую пригодны для отопления зданий, в которых в довольно широких пределах допустимы суточные и сезонные колебания температуры, например: коровников или свинарников, хранилищ продукции растениеводства и т.п.
В общем проблема освоения упомянутых источников даровой энергии в последнее время сильно обострилась в связи с истощением доступных и хорошо обустроенных и освоенных месторождений минеральных энергоносителей: угля, нефти и природного газа. Применительно же к указанному классу теплопотребителей эта проблема стоит особенно остро еще и потому, что их количество велико, они рассредоточены на значительных территориях и обычно удалены от месторождений минеральных топлив и узловых пунктов транспортной сети их распределения. До недавних пор при освоении энергии ветра и малых рек основное внимание уделялось конструированию ветро- и гидроэнергетических установок, которые должны были бы работать совместно с электрогенераторами. На этом пути уже достигнуты впечатляющие результаты, связанные выравниванием мощности, отдаваемой в локальные электросети, при колебаниях нагрузки на ветровые или водяные колеса и с защитой электрогенераторов от перегрузок при скачкообразных увеличениях напора ветра или водного потока. Но в тех случаях, когда потребителям нужна именно тепловая энергия, двойное преобразование (механической энергии ветра или воды в электрическую и электрической в тепловую энергию) сопряжено с нежелательными энергетическими потерями и с непропорциональным достигаемому результату увеличением капитальных затрат. Поэтому все чаще появляются технические решения, предусматривающие прямое преобразование механической энергии в тепловую. Эти решения при их практической реализации оказываются тем более эффективными, чем больше масса и теплоемкость теплоносителя, циркулирующего в локальных сетях теплоснабжения, ибо именно запас теплоносителя в таких сетях в силу существенной инерционности теплообменных процессов позволяет простейшим и экономически выгодным путем выравнивать колебания нагрузки на входе в механические теплогенераторы. Однако эффективность таких теплогенераторов, оцениваемая по критериям простоты и, соответственно, удельной материалоемкости, технологичности в изготовлении, удобства обслуживания и надежности в эксплуатации, существенно зависит от их конструкции. Например, из описания изобретения к авт. свид. СССР N 1627790 известен фрикционный нагреватель, имеющий корпус-бак с нагреваемой жидкой средой, неподвижный диск, жестко прикрепленный к днищу корпуса, и подвижный диск, установленный с возможностью вращения от ветроэнергетического привода и осевого перемещения относительно неподвижного диска и снабженный по периметру установленными наклонно к оси вращения лопастями. Выработка тепла в описанном механическом теплогенераторе происходит преимущественно вследствие трения подвижного диска о неподвижный и отчасти вследствие трения лопастей о воду или иную заполняющую бак жидкую среду. Будучи весьма прост по конструкции, такой нагреватель громоздок и потому с трудом «вписывается» в замкнутые системы теплоснабжения, недостаточно надежен из-за износа контактирующих поверхностей дисков и малоэффективен, хотя и работоспособен, при незначительной ветровой нагрузке. Из описания изобретения к авт. свид. СССР N 1703924 известен механический теплогенератор «Рязань», имеющий эжектор («струйный аппарат») и центробежный насос, центральный всасывающий патрубок к нагнетательному патрубку эжектора, а нагнетательный патрубок к разветвляющемуся трубопроводу. Одна из ветвей этого трубопровода подключена к соплу эжектора, а вторая (через поверхностный теплообменник) к всасывающему патрубку эжектора. Описанный теплогенератор также весьма прост по гидравлической схеме и может быть изготовлен с использованием стандартных комплектующих узлов. Однако генерирование тепла вследствие потерь гидравлической энергии на вихреобразование и трение в потоке оборотной жидкости вынуждает к использованию высокооборотного привода центробежного насоса и эксплуатации насоса при максимальной производительности, обеспечивающей наибольшую турбулизацию оборотной жидкости. Естественно, что малые ветро- или гидроэнергетические установки практически не могут быть использованы без мультипликатора для привода центробежного насоса при осуществлении указанного принципа генерирования тепла. В связи с изложенным наиболее перспективными представляются теплогенераторы, изготовленные непосредственно на основе насосов и генерирующие тепло внутри корпусов таких насосов преимущественно вследствие попеременного воздействия на нагреваемую жидкость повышенного давления и разрежения. Из числа таких теплогенераторов наиболее близок к предлагаемому насос-нагреватель текучей среды, известный из описания изобретения к патенту СССР N 1329629 по кл. F 24 J 3/00. Этот, по меньшей мере, одноступенчатый насос-теплогенератор имеет: полый цилиндрический (дискообразный в одноступенчатом исполнении) корпус, имеющий периферийный торцевой всасывающий патрубок для подвода нагреваемой и центральный торцевой нагнетательный патрубок для отвода нагретой жидкости; ротор, выполненный в виде полого барабана, который консольно подвешен к валу привода вращения внутри корпуса и снабжен средствами воздействия на жидкость для ее нагрева, которые выполнены в виде ребер, размещенных в полости этого барабана с интервалами между собой; (статорный) диск, жестко связанный с корпусом, имеющий кольцевой направляющий канал и, по меньшей мере, один радиальный всасывающий канал для гидравлического подключения направляющего канала к полости корпуса, радиальный напорный канал, у которого входная горловина открыта в кольцевой направляющий канал, а выходное отверстие в осевую полость диска, переходящую в центральный торцевой патрубок корпуса для отвода нагретой жидкой среды, и несущий на периферии, по меньшей мере, одну расширяющуюся в направлении вращения головку. В теле диска может быть выполнен дополнительный «карбюраторный» канал, сообщающий направляющий канал диска с атмосферой и обеспечивающий подсос воздуха в нагреваемую жидкую среду для повышения ее сжимаемости. При этом в кольцевом направляющем канале между входной горловиной радиального напорного канала и выходом из «карбюраторного» канала может быть предусмотрен пережим, а вблизи выходов из всасывающих каналов в кольцевой направляющий канал в последнем могут быть предусмотрены расширенные участки. Согласно изобретательскому замыслу нагрев жидкости в описанном насосе-теплогенераторе должен происходить преимущественно вследствие чередования ее сжатия-расширения в зазоре между фигурными ребрами вращающегося ротора и головками на (статорном) диске и отчасти вследствие трения между частями насоса и перекачиваемой нагреваемой жидкостью. Однако поскольку в описанном насосе-теплогенераторе выходы из радиальных всасывающих каналов открыты в кольцевой направляющий канал, поскольку входная горловина напорного радиального канала начинается оттуда же и, наконец, поскольку упомянутые выходы и вход находятся на примерно одинаковом расстоянии от геометрической оси насоса, постольку центробежная сила, действующая на жидкость при вращении ротора-барабана и порождающая относительное разрежение в кольцевом направляющем канале диска, будет практически одинаково действовать на жидкость во всех радиальных каналах. И если на всасывание этот технический эффект будет оказывать положительное влияние, то на нагнетание отрицательное, причем тем в большей степени, чем больше будет число оборотов ротора-барабана (вплоть до полного прекращения прокачивания жидкости через насос-теплогенератор и аварийного перегрева жидкости, «заблокированной» внутри его корпуса). Поэтому известный насос-теплогенератор способен работать только на малых скоростях вращения с соответствующей невысокой теплопроизводительностью. Далее, сжатие-расширение нагреваемой жидкости между ребрами ротора-барабана и головками неподвижного диска неизбежно будет приводить к кавитации и, соответственно, к разрушению указанных деталей. И, наконец, известный насос-теплогенератор весьма сложен по конструкции, а потому нетехнологичен в изготовлении и трудоемок в ремонте при эксплуатации. Поэтому в основу изобретения положена задача путем усовершенствования формы ротора и гидравлической связи его полости со всасывающим и нагнетательным патрубками корпуса создать такой насос-теплогенератор, который исключал бы блокирование нагнетания в широком диапазоне скоростей вращения ротора, имел бы повышенную теплопроизводительность, был бы более прост в изготовлении, надежен и удобен в эксплуатации. Поставленная задача решена тем, что в насосе-теплогенераторе, имеющем полый корпус со всасывающим патрубком для подвода нагреваемой и нагнетательным патрубком для отвода нагретой жидкости и консольно подвешенный внутри корпуса на валу привода вращения полый ротор, оснащенный, по меньшей мере, одним средством воздействия на жидкость для ее нагрева, согласно изобретению, всасывающий патрубок расположен соосно ротору и присоединен к корпусу со стороны, противоположной валу привода вращения, нагнетательный патрубок присоединен к корпусу тангенциально, полость ротора выполнена из двух сообщающихся между собою и с полостью корпуса частей, первая из которых по ходу жидкости представляет собою глухое центральное отверстие, ориентированное напротив выхода из всасывающего патрубка, а вторая имеет вид по меньшей мере одного направленного от центра к периферии ротора канала, выход которого имеет угловое смещение относительно входа в направлении, противоположном направлению вращения ротора, а средство для воздействия на жидкость для ее нагрева выполнено в виде, по меньшей мере, одного углубления («кармана») в периферийной части тела ротора, отходящего от каждого канала. Изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна», поскольку по имеющимся данным не известно из общедоступных источников информации. Соответствует оно и условию патентоспособности «изобретательский уровень», поскольку только указанная совокупность существенных признаков, включая новую форму выполнению ротора и средства воздействия на жидкость для ее нагрева и новое взаиморасположение всех каналов для прохода нагреваемой жидкости обеспечивает новый технический эффект. Действительно, нагреваемая жидкость имеет единственным препятствием для свободного выхода из каналов в роторе только углубления, отходящие от этих каналов. Именно колебания жидкости в этих углублениях под отсасывающим действием центробежной силы и вдавливающим действием силы инерции при вращении ротора приводят к ее нагреву, не препятствуя при этом оттоку жидкости из зон нагрева при среднем и высоком числе оборотов ротора. Первое дополнительное отличие заключается в том, что каналы в роторе выполнены прямыми, что наиболее технологично при изготовлении роторов путем механической обработки цельных заготовок. Второе дополнительное отличие состоит в том, что каналы в роторе выполнены дугообразными, что технологически безразлично при изготовлении роторов литьем, но способствует повышению КПД вследствие уменьшения внутреннего гидросопротивления потоку жидкости через насос-теплогенератор и повышению его эксплуатационной надежности вследствие уменьшения опасности кавитации. Третье дополнительное отличие предусматривает, что углубления («карманы»), выполненные в теле ротора, отходят от каналов в направлении, противоположном направлению вращения ротора, а четвертое дополнительное отличие предусматривает, что такие углубления отходят от каналов в направлении по ходу вращения ротора. Первая форма выполнения углублений («карманов») предпочтительна для высокооборотных роторов мощных насосов-теплогенераторов, поскольку способствует оттоку нагретой жидкости из полости ротора, а вторая предпочтительна для низкооборотных роторов насосов-теплогенераторов средней и малой мощности. Далее сущность изобретения поясняется подробным описанием конструкции и работы предлагаемого насоса-теплогенератора со ссылками на прилагаемые чертежи, где изображены: на фиг. 1 предлагаемый насос-теплогенератор в продольном разрезе; на фиг. 2 то же, что на фиг. 1, в поперечном разрезе по срединной плоскости ротора; на фиг. 3 ротор насоса-теплогенератора с криволинейными каналами и углублениями («карманами») по ходу вращения (в поперечном разрезе по срединной плоскости). Предлагаемый насос-теплогенератор (см. фиг. 1) имеет полый корпус 1 с центральным всасывающим патрубком 2 и тангенциальным нагнетательным патрубком 3. Эта часть насоса-теплогенератора настолько подобна по форме корпусам серийно выпускаемых одно- или многоступенчатых центробежных насосов, что упомянутые корпуса можно без доработок использовать в практике реализации изобретательского замысла. Однако в отличие от корпусов центробежных насосов корпуса 1 насосов-теплогенераторов целесообразно снабжать снаружи слоем подходящей теплоизоляции. В корпусе 1 консольно на валу 4 привода вращения установлен ротор 5 с фигурной проточной внутренней полостью, входная часть которой имеет вид ориентированного напротив выхода из всасывающего патрубка глухого (со стороны вала 4) центрального отверстия, а выходная часть представляет собой, по меньшей мере, один прямо- (как на фиг. 2) или криволинейный (как на фиг. 3) канал 6 с углублением («карманом») 7 в теле ротора 5, ориентированным против (как на фиг. 2) или по ходу (как на фиг. 3) направления вращения ротора. Указанное углубление 7 служит средством воздействия на жидкость для ее нагрева. В действительности целесообразно иметь, по меньшей мере, два противоположно выполненных в теле ротора канал 6 с углублениями 7, что упрощает балансировку ротора 5 перед заводскими испытаниями насосов-теплогенераторов. Реально же число каналов 6 и углублений («карманов») 7 определяет теплопроизводительность. Поэтому их максимальное количество при фиксированных габаритах конкретного ротора 5 определяют из условий прочности и устойчивости ротора 5. Независимо от (прямо- или криволинейной) формы каналов 6 выходы из них должны быть смещены относительно входов в направлении, противоположном направлению вращения ротора 5. Применительно к прямолинейным каналам (см. фиг. 2) это условие улучшения перетекания подаваемой на нагрев жидкости в зону нагрева и из нее на выход из корпуса 1 может быть легко выполнено ориентированием таких каналов 6 по хордам, а применительно к криволинейным (см. фиг. 3) по дугам эвольвент, начальные точки которых имеют угловое «опережение» в сравнении с конечными. Углубления («карманы») 7 также могут быть как прямыми (см. фиг. 2), так и изогнутыми (см. фиг. 3). При этом очевидно, что показанные на упомянутых фигурах варианты сочетаний каналов 6 и углублений 7 не являются обязательными и что, следовательно, возможны комбинации прямолинейных каналов 6 с криволинейными углублениями 7, и наоборот. Целесообразно также для частичной гидравлической разгрузки обычного сальникового или иного уплотнения 8 вала 4 в корпусе 1 насоса-теплогенератора выполнить в ступице ротора 5 отверстия 9. Как уже выше было сказано, насос-теплогенератор может быть выполнен как одно- так и многоступенчатым. Тогда все сказанное выше применительно к одной ступени будет иметь силу и для каждой из ступеней с теми очевидными уточнениями, которые касаются передачи жидкости из ступени в ступень по переточным каналам в корпусе, выполнения ротора 5 многосекционным, продления консольного участка вала 4 до последней секции ротора 5 и т.п. Работает описанный насос-теплогенератор следующим образом. После его подключения к приводу вращения (например, ветро- или гидроколесу с соответствующими преобразователями крутящего момента и другими обычными приспособлениями) и к потребителю тепла (например, включения в замкнутую локальную систему теплоснабжения непосредственно или через теплоаккумулятор) и заливки полости корпуса 1 жидкостью включают привод. Вал 4 раскручивает ротор 5, охлажденная (у потребителя тепла) вода или иная жидкость-теплоноситель (например, антифриз) через всасывающий патрубок 2 поступает внутрь корпуса 1 и через центральное отверстие в роторе 5 устремляется в каналы 6, заполняя попутно углубления («карманы») 7. При этом жидкость, попавшая в упомянутые углубления, оказывается под действием двух основных сил: центробежной силы, стремящейся «отсосать» содержимое каждого из углублений 7, и силы инерции вращения, стремящейся «закупорить» это жидкое содержимое в углублениях 7. Поскольку мимо углублений 7 при работающем роторе постоянно течет жидкость, содержимое углублений 7 обновляется в колебательном режиме, что сопровождается интенсивным генерированием тепла вблизи выходов из каналов 6. Нагретая таким образом жидкость выходит через нагнетательный патрубок 3 к теплопотребителю или в теплоаккумулятор. Незначительная часть общего потока жидкости, просачивающаяся через отверстия 9 в ступице ротора 5, уменьшает подпор на уплотнение 8 со стороны зазора между корпусом 1 и ротором 5, и тем самым снижает нагрузку на уплотнение 8.
Формула изобретения 1. Насос-теплогенератор, имеющий полый корпус с всасывающим патрубком для подвода нагреваемой и нагнетательным патрубком для отвода нагретой жидкости и консольно подвешенный внутри корпуса на валу привода вращения полый ротор, оснащенный по меньшей мере одним средством воздействия на жидкость для ее нагрева, отличающийся тем, что всасывающий патрубок расположен соосно ротору и присоединен к корпусу со стороны, противоположной валу привода вращения, нагнетательный патрубок присоединен к корпусу тангенциально, полость ротора выполнена из двух сообщающихся между собой и с полостью корпуса частей, первая из которых по ходу жидкости представляет собой глухое центральное отверстие, ориентированное напротив выхода из всасывающего патрубка, а вторая имеет вид по меньшей мере одного, направленного от центра к периферии, ротора, канала, выход которого имеет угловое смещение относительно входа в направлении, противоположном направлению вращения ротора, а средство воздействия на жидкость для ее нагрева выполнено в виде по меньшей мере одного отходящего от каждого канала углубления «кармана» в периферийной части тела ротора. 2. Насос-теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что каналы в роторе выполнены прямыми. 3. Насос-теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что каналы в роторе выполнены дугообразными. 4. Насос-теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что углубления «кармана» отходят от каналов в тело ротора в направлении, противоположном направлению вращения ротора. 5. Насос-теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что углубления «кармана» отходят от тела ротора по ходу его вращения.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
насос-теплогенератор — патент РФ 2319911
Изобретение относится к энергетике и может работать в режимах теплогенератора, насоса, газодувки, смесителя, гомогенезатора, диспергатора, химического реактора и др. Насос-теплогенератор кавитационно-вихревого типа имеет расположенные на валу между корпусными торцевыми поверхностями с гарантированным зазором диски, на торцевых поверхностях которых выполнены по крайней мере по два ряда лунок, симметрично расположенных относительно оси вала, на различных относительно вала радиусах, на прилегающих к торцевой поверхности диска с лунками корпусных торцевых поверхностях также выполнено по меньшей мере по два ряда подобных лунок на радиусах, смещенных относительно лунок дисков на величину, близкую половине расстояния между радиусами расположения лунок диска, а радиальный размер лунок выполнен из условия частичного перекрытия лунок диска лунками торцевых корпусных поверхностей в процессе поворота диска при его вращении валом. Расположение лунок обеспечивает усиление вихревых и кавитационных процессов в лунках и торцевых проходных каналах за счет увеличения по ходу движения жидкости ее энергии вращения и генерации импульсов высокого давления в рабочих каналах. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.
Рисунки к патенту РФ 2319911
Изобретение относится к теплогенераторам кавитационно-вихревого типа, которые одновременно могут выполнять функции насоса для перекачивания разогреваемого теплоносителя. Эти устройства также могут использоваться как смесители, гомогенезаторы, химические реакторы непрерывного действия, устройства обеззараживания воды от микробной флоры, активаторы технологических процессов различного типа и т.п.
Известны теплогенераторы кавитационно-вихревого типа с рабочим колесом, перекачивающим жидкость за счет действия центробежных сил, которые обеспечивают кавитационно-вихревые процессы в своих дополнительных рабочих органах, а также создают напор между своим входными и выходным гидравлическими каналами, что позволяет осуществлять циркуляцию теплоносителя — см. патент Петракова — РФ №2159901 — аналог.
Недостаток аналога заключается в достаточно сложной конструкции, необходимости использования сложных технологических процессов, что в целом повышает стоимость изделия.
Известен также теплогенератор с дисковым рабочим органом, установленным на валу между корпусными торцевыми поверхностями с гарантированными зазорами. На одной торцевой поверхности диска выполнены лунки — рабочие камеры в виде ячеек Григгса, см. книгу Л.П.Фоминского Роторные генераторы дарового тепла. Черкассы «ОКО-Плюс», 2003 г., стр.217, рис.7.5 — прототип.
Такой тип теплогенератора высокоэффективен с точки зрения тепловыделения, достаточно прост конструктивно и не требует сложных технологий для его производства. Однако из-за малого рабочего зазора между торцевой(ми) корпусной(ыми) поверхностями и диском расход теплоносителя через теплогенератор обычно недостаточен для многих случаев его возможного применения, что иногда требует применения дополнительного циркуляционного насоса, устанавливаемого на его входе или выходе.
В этой связи целью данного технического решения является существенное повышение расхода жидкости и напора теплогенератора (при одинаковых диаметрах диска и торцевых зазорах) для получения возможности его работы в гидросистеме без дополнительного насоса и без существенного усложнения конструкции.
Дополнительной целью является принудительное генерирование в лунках и торцевых зазорах электрохимических и вихревых процессов повышенной интенсивности (частоты вращения) при одновременном наложении на них периодически генерируемых с задаваемой конструктивно и за счет регулирования частоты вращения диска импульсов давления в протекающем через торцевые зазоры потоке жидкости, что приводит в целом к дополнительной интенсификации рабочих кавитационно-вихревых процессов, режимов смешения, гомогенезации, диспергации, химических реакций в перекачиваемой жидкости (режим химического реактора непрерывного действия), разрушения внутримолекулярных связей (например, в микробах, вирусах и др.), а также повышает удельную энергоемкость рабочего органа при заданных его диаметральных габаритах и частоте вращения. Поставленная задача решается тем, что:
— в насосе-теплогенераторе кавитационно-вихревого типа с входным осевым и выходным периферийным гидравлическими каналами, на валу которого между корпусными торцевыми поверхностями с гарантированным зазором расположен по меньшей мере один диск, по меньшей мере на одной торцевой поверхности которого выполнены лунки (рабочие камеры), симметрично расположенные относительно оси вала, дополнительно на торце диска выполнено по меньшей мере два ряда лунок на различных относительно вала радиусах, на прилегающих к торцам диска с лунками корпусных торцевых поверхностях также выполнено по меньшей мере по два ряда подобных лунок на радиусах, смещенных относительно лунок дисков на величину, близкую половине расстояния между радиусами расположения лунок диска, а радиальный размер лунок, например их диаметр, выполнен из условия частичного перекрытия лунок диска лунками торцевых корпусных поверхностей в процессе поворота диска при его вращении валом;
— частичное перекрытие лунок диска и корпуса выполнено только при ряде углов поворота диска относительно корпуса, в общем случае различных для лунок, расположенных на различных радиусах диска;
— угловые относительно оси ротора сдвиги лунок на роторе и корпусе выполнены из условия кратковременного одновременного перекрытия в радиальном направлении части или всех лунок диска и корпуса на всех или части радиусах их расположения относительно оси диска;
— гарантированный зазор между диском и прилегающими к нему корпусными поверхностями выполнен переменным, например уменьшающимся с увеличением радиуса его расположения от оси вала;
— лунки выполнены в виде глухих осесимметричных углублений, например, в виде сверлений;
— лунки корпусных поверхностей выполнены равного или отличного размера от лунок диска, например, меньшего диаметра, чем лунки диска.
— лунки на различных радиусах их расположения выполнены одинаковыми или различными по диаметру и глубине;
— на диске крайние по радиусу лунки расположены в непосредственной близости от его периферийной поверхности, а крайние по радиусу корпусные лунки расположены на радиусе, большем радиуса периферийной поверхности диска, и выполнены выходящими в окружающий периферию диска отвод, например, кольцевого или спирального типа, сообщенный с выходным гидравлическим каналом;
— лунки диска, расположенные наиболее удалено от оси вала, выполнены частично выходящими (раскрытыми) на его периферийную поверхность;
— по меньшей мере один диск выполнен из электропроводящего материала и расположен между полюсами магнита, например электромагнита;
— по меньшей мере один диск по своей оси подключен к электроисточнику, например. регулируемого постоянного или переменного потенциала, к земле и т.п., а корпус к потребителю тока, например к обмотке электромагнита, например, через регулируемое электрическое сопротивление.
На фиг.1 показан пример выполнения описываемого устройства с различными вариантами выполнения лунок на обеих торцевых поверхностях диска и двумя рабочими дисками.
На фиг.2 показаны примеры расположения лунок на диске и корпусных поверхностях в момент одновременного их перекрытия с образованием проточного радиально направленного канала(ов) между входным и выходным гидравлическими каналами.
На фиг.3 показан пример выполнения насоса-теплогенератора с одним диском с возможностью его работы в режиме униполярного генератора, обеспечивающего электрохимическое воздействие на перекачиваемую и обрабатываемую устройством жидкость и процесс энерговыделения в подключенную гидросистему.
Насос-теплогенератор кавитационно-вихревого типа снабжен входным 1, см. фиг.1, осевым и выходным 2 периферийным гидравлическими каналами, на валу 3 которого между корпусными торцевыми поверхностями 4 и 5 с гарантированным зазором расположены диски 6 и 7, на торцевых поверхностях которых выполнены лунки (рабочие камеры) 8, симметрично расположенные относительно оси вала 3. При этом на каждом торце дисков 6 и 7 выполнено по меньшей мере по два ряда лунок 8 на различных относительно вала 3 радиусах. На прилегающих к диску корпусных торцевых поверхностях 4 и 5 также выполнено по меньшей мере по два ряда подобных лунок 8 на радиусах, смещенных относительно лунок дисков на величину, близкую половине расстояния между радиусами расположения лунок 8 диска 6 и диска 7, а радиальный размер лунок 8, например их диаметр, выполнен из условия частичного перекрытия лунок диска лунками торцевых корпусных поверхностей в процессе поворота диска при его вращении валом, см. фиг.2, где сплошными линиями показаны лунки на дисках, а пунктирными положение лунок на корпусных поверхностях 4, 5 в момент их одновременного пересечения с образованием радиально-направленных сквозных каналов для прохода жидкости через лунки (даже в случае очень малых гарантированных зазоров между дисками и корпусными поверхностями).
На фиг.1 лунки 8 показаны по сечению А-А на фиг.2, а вихри, имеющие место в лунках и простирающиеся на гарантированный зазор, по сути образуют в зазоре подобие динамической «лопатки» центробежного насоса, что позволяет для работы в насосном режиме выполнять относительно большие зазоры для получения повышенных расходов жидкости. На фиг.2 показаны направления вращения вихрей в корпусных лунках и лунках диска, относительные соответственно корпуса и диска. При указанных направлениях вращения вихрей и их взаимодействии при обмене протекающей через них жидкостью осуществляется процесс повышения скорости вращения вихрей в лунках по мере увеличения радиусов их расположения.
Преимущественно указанное частичное перекрытие лунок диска и корпуса выполнено только при фиксированном ряде углов поворота диска относительно корпуса, в общем случае различных для лунок, расположенных на различных радиусах диска, что позволяет создавать импульсы давления в лунках и гарантированных торцевых зазорах. Для работы преимущественно в насосном режиме количество лунок на радиусах их расположения может быть увеличено для обеспечения состояния практически постоянного перекрытия лунок, при котором импульсы давления будут существенно сглажены, при этом будет увеличен расход устройства при его использовании как насоса.
Для увеличения эффективности работы устройства в режиме теплогенератора, когда желательно интенсифицировать импульсы давления при одновременном увеличении расхода через торцевые зазоры, угловые относительно оси ротора сдвиги лунок на роторе и корпусе выполнены из условия кратковременного одновременного перекрытия в радиальном направлении преимущественно всех лунок диска и корпуса на части или на всех радиусах их расположения относительно оси диска так, как это показано на фиг.2.
Для повышения всасывающей способности устройства гарантированный зазор между диском и прилегающими к нему корпусными поверхностями выполнен переменным, например уменьшающимся с увеличением радиуса его расположения от оси вала, см. выполнение крайней правой ступени устройства, где конусность зазоров 9 позволяет проходное сечение торцевых зазоров по радиусу от вала 3 выполнить постоянным или конфузорным.
Для упрощения изготовления лунок при механообработке лунки выполняются в виде глухих осесимметричных углублений, например в виде сверлений или фрезеровок. При изготовлении методом литья лунки 8 достаточно просто выполнять по форме, облегчающей формирование вихревого потока в лунках. Возможно выполнение лунок и в виде ячеек Григгса, когда их глубина приблизительно равна диаметру. Однако, поскольку рабочий процесс в лунках данного устройства существенно отличен от имеющего место в ячейках Григгса, глубина лунок может быть и существенно меньшей, а также и различной по радиусам их расположения как на диске, так и на корпусных поверхностях, см. варианты выполнения на фиг.1.
Исходя из особенностей рабочего процесса данного устройства (для некоторых возможных применений описываемого устройства) для увеличении скорости вращения вихревого потока в корпусных лунках их рационально выполнять меньшего диаметра, чем диаметр лунок диска.
Действительно, пусть согласно обозначениям на фиг.1 Дк=14 мм, Дд=16 мм, Rд1=120 мм, 1= 2=4 мм, об/мин диска = 3000, то за счет переносного совместно с диском движения вихря в лунке 8 диска и передачи его энергии в лунку корпуса число оборотов вихревого потока в лунке корпуса будет по меньшей мере равным около 72000, что характеризует особенности и высокую эффективность рабочего процесса данного устройства.
В общем случае лунки корпусных поверхностей могут быть выполнены равного или отличного размера от лунок диска, а лунки на различных радиусах их расположения могут быть также выполнены одинаковыми или отличными от лунок на других радиусах их расположения.
Радиусы расположения корпусных лунок R1, R2, R3 находятся между радиусами расположения лунок на диске Rд1, Rд2, Rд3 так, что приблизительно 1= 2, причем величины 1 и 2 могут быть и неравными, но, как правило, не большими чем Дк/2 и/или Дд/2.
Рационально на диске 6 и/или 7 крайние по радиусу лунки 8 располагать в непосредственной близости от его периферийной поверхности, а крайние по радиусу корпусные лунки располагать на радиусе, большем радиуса периферийной поверхности диска, и выполнять выходящими в окружающий периферию диска отвод 10, например, кольцевого или спирального типа, сообщенный с выходным гидравлическим каналом 2, что образует в отводе 10 встречные или рядом расположенные вихревые «сверхвысокооборотные» жгуты, «обкатывающие» периферийную поверхность дисков, что снижает дисковое трение на рабочем органе, дополнительно энергетически воздействуя на перекачиваемую жидкость.
Рационально также крайние по радиусу лунки выполнять частично выходящими на периферийную поверхность диска, см. фиг.3. При этом в отводе 10 также образуются вихревые потоки, интенсивно перемещающиеся в отводе 10 за вращающимся диском.
Этот режим отличается от предыдущего, что позволяет получать гидравлические и энергетические характеристики устройства, отличные от описанного выше выполнения, см. фиг.2, где показано стрелкой направление вытекания жидкости из периферийной лунки 8д1, приводящее к возникновению силы, уменьшающей момент на валу диска.
Для дополнительного уравновешивания диска от осевых усилий на дисках могут быть выполнены сообщающие их торцевые поверхности каналы 11, которые могут проходить и через часть лунок 8, см. фиг.3. Такое выполнение лунок на малых радиусах их расположения существенно повышает всасывающую способность устройства как насоса.
В качестве текучей рабочей среды в данном устройстве может быть использован пар или насыщенный паром воздух.
Диски 6 и 7 (или только один диск), выполненные из хорошо электропроводящего материала, могут быть расположены между полюсами 12 постоянного магнита, см. фиг.1, что обеспечивает работу диска в режиме, подобном режиму униполярного генератора.
В этом случае при работе на электропроводящей жидкости через нее в торцевых зазорах будет проходить электрический ток из-за возникновения относительно малого и различного по радиусу перепада потенциалов между торцевыми поверхностями диска и противостоящими торцевыми корпусными поверхностями, что при наличии вихревого движения в лунках диска и корпуса оказывает интенсивное физико-химическое воздействие на протекающую жидкость. Это ускоряет процессы ионизации, протекание химических реакций в жидкости и в зависимости от ее свойств способствует процессам энергообмена и энерговыделения. Магнит может быть выполнен в виде электромагнита, иметь магнитопровод с катушкой 13, см. фиг.3, подключенной к источнику возбуждения 14 с различными типами рабочих характеристик, который может быть подключен и к центральному низкопотенциальному электроду 15 или кольцевому коллектору 16. Электрод 15 может быть подключен к земле или источнику с более высоким (положительным или отрицательным) потенциалом по отношению к земле. В качестве электроисточника в частном случае применения может быть использовано и само описываемое устройство при подключении периферии диска через периферийное контактное устройство 17 к катушке 13 через, например, регулируемое электрическое сопротивление 18. Таким образом, насос-теплогенератор дополнительно выполняет функции униполярного генератора, питая катушку 13 (или иной потребитель, в том числе рабочую жидкость, протекающую через описываемое устройство), обеспечивает процесс электролиза протекающей рабочей среды, интенсификацию физико-химических и энергетических процессов в этой среде и др.
На фиг.3 также показан пример выполнения подключаемой гидросистемы, где 19 — теплообменник, 20 — дроссель регулирования давления во входном канале 1, 21 — центробежный сепаратор для отбора из системы выделяемых газов, 22 — выходной канал системы подпитки гидросистемы.
Предложенный насос-теплогенератор является многофункциональным устройством, способным работать в режимах насоса или газодувки с характеристиками, близкими к вихревым гидромашинам, в режимах теплогенератора, химического реактора непрерывного действия, активатора технологических процессов и др., обладая простой и технологичной конструкцией.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Насос-теплогенератор кавитационно-вихревого типа с входным осевым и выходным периферийным гидравлическими каналами, на валу которого между корпусными торцевыми поверхностями с гарантированным зазором расположен по меньшей мере один диск, на по меньшей мере одной торцевой поверхности которого выполнены лунки (рабочие камеры), симметрично расположенные относительно оси вала, отличающийся тем, что на торцевой поверхности диска выполнено по меньшей мере по два ряда лунок на различных относительно вала радиусах, на прилегающей к торцевой поверхности диска с лунками корпусных торцевых поверхностях также выполнено по меньшей мере по два ряда подобных лунок на радиусах, смещенных относительно лунок дисков на величину, близкую половине расстояния между радиусами расположения лунок диска, а радиальный размер лунок, например их диаметр, выполнен из условия частичного перекрытия лунок диска лунками торцевых корпусных поверхностей в процессе поворота диска при его вращении валом.
2. Насос-теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что частичное перекрытие лунок диска и корпуса выполнено только при ряде углов поворота диска относительно корпуса, в общем случае различных для лунок, расположенных на различных радиусах диска.
3. Насос-теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что угловые относительно оси ротора сдвиги лунок на роторе и корпусе выполнены из условия кратковременного одновременного перекрытия в радиальном направлении части или всех лунок диска и корпуса на всех или части радиусах их расположения относительно оси диска.
4. Насос-теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что гарантированный зазор между диском и прилегающими к нему корпусными поверхностями выполнен переменным, например уменьшающимся с увеличением радиуса его расположения от оси вала.
5. Насос-теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что лунки выполнены в виде глухих осесимметричных углублений, например в виде сверлений.
6. Насос-теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что лунки корпусных поверхностей выполнены равными или отличными по размеру от лунок диска, например меньшего диаметра, чем лунки диска.
7. Насос-теплогенератор по п.1, отличающийся, тем, что лунки на различных радиусах выполнены различных диаметра и глубины.
8. Насос-теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что на диске крайние по радиусу лунки расположены в непосредственной близости от его периферийной поверхности, а крайние по радиусу корпусные лунки расположены на радиусе, большем радиуса периферийной поверхности диска, и выполнены выходящими в окружающий периферию диска отвод кольцевого или спирального типа, сообщенный с выходным гидравлическим каналом.
9. Насос-теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что лунки диска, расположенные наиболее удалено от оси вала, выполнены частично выходящими (раскрытыми) на его периферийную поверхность.
10. Насос-теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один диск выполнен из электропроводящего материала и расположен между полюсами магнита, например электромагнита.
11. Насос-теплогенератор по п.1, отличающийся, тем, что по меньшей мере один диск по своей оси подключен к электроисточнику, например, регулируемого постоянного или переменного напряжения, к земле и т.п., а корпус к потребителю тока, например к обмотке электромагнита, например, через регулируемое электрическое сопротивление.
Роторный гидроударный насос-теплогенератор
Изобретение относится к конструкциям насосов-теплогенераторов, которые могут быть использованы в автономных замкнутых системах теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, а также для горячего водоснабжения и нагрева жидкостей в технологических системах. Сущность изобретения в том, что в роторном насосе-теплогенераторе, имеющем полый корпус со всасывающим и нагнетательным патрубками и расположенные внутри корпуса концентрично друг другу ротор и статор, образующие между собой канал, связанный с отверстиями, выполненными в виде сужающихся сопел, в кольцевом канале со стороны ротора и статора установлены перфорированные углубления, внутри которых размещены упругие полые шары, и кольца с выполненными в них отверстиями в виде сужающихся сопел, обращенных внутрь кольцевого канала, а основания патрубков подвода нагреваемой жидкости и отвода расположены в кольцевом канале. Такая конструкция насоса-теплогенератора позволяет установить энергоэкономный режим нагрева жидкости. 4 ил.
Изобретение относится к конструкциям насосов-теплогенераторов, которые могут быть использованы в автономных замкнутых системах теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, а также для горячего водоснабжения и нагрева жидкостей в технологических системах Ближайшим технологическим решением является роторный насос-теплогенератор (патент RU 2159901), содержащий полый корпус с всасывающим патрубком для подвода нагреваемой жидкости. Внутри корпуса расположен ротор в виде двухпоточного центробежного колеса с отверстиями по периферии. Концентрично ротору расположен статор с отверстиями. Отверстия в роторе выполнены в виде круглоцилиндрических насадков Вентури, а отверстия в статоре — в виде внезапно расширяющихся насадков.
Недостатками известного устройства является то, что жидкость недостаточно нагревается за один проход через насос-теплогенератор. Для повышения температуры жидкости требуется ее многократное прокачивание через насос-теплогенератор. Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства, проходя через которое, обрабатываемая жидкость многократно подвергается факторам воздействия на нее, результатом чего является интенсивный нагрев жидкости за один проход через гидроударный насос-теплогенератор. Поставленная задача решается тем, что в роторном гидроударном насосе-теплогенераторе, имеющем полный корпус со всасывающим патрубком для подвода нагреваемой жидкости и нагнетательным патрубком для отвода нагретой жидкости, и расположенные внутри корпуса концентрично друг другу ротор и статор, образующие между собой канал, связанный с отверстиями, выполненными в виде сужающихся сопел, в кольцевом канале со стороны ротора и статора установлены перфорированные углубления, внутри которых размещены упругие полые шары, и кольца с выполненными в них отверстиями в виде сужающихся сопел, обращенных внутрь кольцевого канала, а основания патрубков подвода нагреваемой жидкости и отвода расположены в кольцевом канале. На фиг 1 изображен разрез роторного гидроударного насоса-теплогенератора, состоящего из следующих основных деталей: 1 — полый корпус; 2 — патрубок для подвода нагреваемой жидкости; 3- патрубок для отвода нагреваемой жидкости; 4 — кольцо статора с отверстиями; 5 — ротор насоса-теплогенератора; 6 — приводной вал; 7 — кольцо ротора с отверстиями; 8 — уплотнительная прокладка статора; 9 — уплотнительная прокладка ротора. На фиг.2 изображен узел I при движении гидропоршня из отверстия ротора в отверстие статора На фиг.3 изображен узел I при движении гидропоршня из отверстия статора в отверстие ротора. На фиг.4 изображен график зависимости величины коэффициента полноты удара y от угла расширения сопел ротора и статора, из которого видно, что наивыгоднейший угол расширения находится в пределах 6-8o. При этих углах потери напора при движении в соплах минимальны. Ниже графика изображена схема соплового отверстия. Работает описанный роторный гидроударный насос-теплогенератор следующим образом. При вращении вала 6 (фиг.1) нагреваемая жидкость по всасывающему патрубку 2 полого корпуса 1 поступает к кольцу ротора 7, жидкость заполняет отверстия ротора 7 и кольцевой канал между кольцом ротора 7, закрепленным на роторе 5, и кольцом статора, а затем и отверстия в кольце статора. Под действием центробежной силы жидкость, находящаяся в сопловом отверстии ротора, выбрасывается в кольцевой канал между кольцами ротора и статора, а при совмещении отверстий устремляется в сопловое отверстие статора. При движении жидкости по сопловому отверстию статора происходит деформация полого шара 15 под действием гидравлического удара 11 (фиг.2). Для предотвращения растекания жидкости в момент гидравлического удара отверстие 10 корпуса 1 и отверстия статора уплотнены прокладкой 8, а отверстия ротора аналогично уплотнены прокладкой 9. Жидкость, выброшенная из сопла ротора под действием кинетической энергии, образует в сопле ротора гидравлический поршень 12 с образованием зоны разряжения 13. В замкнутом объеме зоны 13, происходит под действием пониженного давления, насыщение жидкости ее парами и образование кавитационных пузырьков. При смещении отверстия ротора к следующему отверстию статора (фиг.3) происходит выброс жидкости из соплового отверстия статора, под действием энергии полого шара 15, который, принимая первоначальную форму, сообщает жидкости кинетическую энергию. Так как в отверстии ротора было разрежение, то жидкость из соплового отверстия статора устремляется в отверстия ротора. Резкое повышение давления в зоне гидравлического удара 14 заставляет конденсироваться пары жидкости и кавитационных пузырьков, а кинетическая энергия жидкости деформирует полый шар 16 в отверстии ротора. При заполнении жидкостью вакуумных зон 13 ротора и статора в момент конденсации паров жидкости происходит их резкое уменьшение в объеме. Известно, что объем конденсата в 400-1500 раз меньше объема пара, равновеликого ему по массе. Давления, возникающие в результате конденсации парогазовых и кавитационных пузырьков, можно определить по формулам: 1. Смыкание газовых и парогазовых пузырьков: , где R30 — радиус начального значения газового пузырька, мм; R3 — конечное значение газового пузырька, мм; Р0 — гидростатическое давление в жидкости, кг/см2; Р — давление, возникающее в центре конденсации кавитационного пузырька, кг/см2. Для примера: при и P0 = 1 кг/см2 получаем Р=1260 кг/см2. 2. Давления, возникающие при конденсации паровых кавитационных пузырьков, определяются по формуле: где — сжимаемость жидкости, кг/см2 (для воды =50 10-6 кг/см2). При тех же значениях P0=1 кг/см2 и получим Р=10300 кг/см2. При P0=10 кг/см2 и получим Р=498800 кг/см2. Все вышеназванные значения давлений имеют место при конденсации шароподобных кавитационных пузырьков. В движущейся жидкости, а тем более при конденсации пузырьков в условиях гидравлического удара происходит деформация их поверхности и изменение формы. При конденсации деформированных кавитационных пузырьков возникают кумулятивные струйки, давления в которых могут превышать давления от конденсации идеальных пузырьков до десятка раз. Учитывая изменения объемов пара при конденсации (400-1500) и значения , R0 можно предполагать, что давления Р могут быть значительно большими, чем при Локальные повышения температуры в нагреваемой жидкости от перепадов давлений, возникающих от гидравлических ударов и конденсации кавитационных пузырьков, можно определить по формуле: где V — объем жидкости, см3; Р — перепад давлений, кг/см2; V — объемный вес жидкости, кг/см3; С — удельная теплоемкость жидкости, ккал/кгoС; m — механический эквивалент тепла, кгсм3/ккал; t — повышение температуры жидкости, oС. Для воды: V-0,001 кг/см3; С — 1,0 ккал/кгoС; m — 42700 кг см3/ккал; при Р0 = 10 кг/см2 перепад давлений Р составит Р=498800 — 10=498790 кг/см2. В этом случае t=0,0234 Р=0,0234 498790=11671,69oС. Подобные процессы парообразования и конденсации, гидравлических ударов и кавитации происходят в соплах ротора и статора многократно с повышением давления от всасывающего патрубка 2 к патрубку 3. Нагретая жидкость по нагнетательному патрубку направляется по назначению. В целях уменьшения потерь на трение в соплах, а следовательно, снижения напора и предотвращения отрыва струи от стенок сопел угол их расширения должен быть в пределах 6-8o. Регулируя расход протекающей жидкости, давление на входе в насос-теплогенератор, а также число оборотов ротора можно установить энергоэкономный режим нагрева жидкости. Уровень металлообработки на современных машиностроительных предприятиях позволяет осуществить изготовление роторных гидроударных насосов-теплогенераторов на базе серийно выпускаемых песковых, грунтовых и других насосов, имеющих значительный радиус рабочего колеса и его высоту Указанный насос-теплогенератор можно применять для отопления и горячего водоснабжения объектов, удаленных от объектов энергоснабжения, а также для нагрева технологических жидкостей. Подобные источники теплоснабжения необходимы в зонах, требующих сохранения чистоты окружающей среды и максимальной безопасности в местах ее выработки (больницы, дома отдыха и т.д.) Список литературы: 1. В. В. Майер «Кумулятивный эффект в простых опытах». М., 1989 г., с. 44-47, 92-97, 174-177. 2. Л. Бергман «Ультразвук и его применение в науке и технике». Пер. с нем. под ред. B. C. Григорьева. М., «Иностранная литература», 1957 г., с. 504-505. 3. Т.М. Башта «Машиностроительная гидравлика». М., Машиностроение, 1971 г., с. 44-49, 118, 509-512. 4. Р.Р. Чугаев «Гидравлика». М., Энергия,, Ленинградское отд., 1971 г., с. 14-17, 28-33, 64-74, 135-140, 163-167, 276-286, 307-314, 426-436. 5. П.Н. Каменев, А.Н. Сканави, В. Н. Богословский и др. «Отопление и вентиляция». М., Стройиздат, 1975 г., ч. I, с. 294-295. 6. Патент России RU 2159901 Петраков АД., Санников С.Т. Яковлев О.П. «Роторный насос -теплогенератор»к
Формула изобретения
Роторный гидроударный насос-теплогенератор, имеющий полый корпус со всасывающим патрубком для подвода нагреваемой жидкости и нагнетательным патрубком для отвода нагретой жидкости, расположенные внутри корпуса концентрично друг другу ротор и статор, образующие между собой кольцевой канал, связанный с отверстиями, выполненными в виде сужающихся сопел, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности нагрева жидкости, в кольцевом канале со стороны ротора и статора установлены перфорированные углубления, внутри которых размещены упругие полые шары, и кольца с выполненными в них отверстиями в виде сужающихся сопел, обращенных внутрь кольцевого канала, а основания патрубков подвода нагреваемой жидкости и ее отвода расположены в кольцевом канале.
, где R30 — радиус начального значения газового пузырька, мм; R3 — конечное значение газового пузырька, мм; Р0 — гидростатическое давление в жидкости, кг/см2; Р — давление, возникающее в центре конденсации кавитационного пузырька, кг/см2. Для примера: при 
и P0 = 1 кг/см2 получаем Р=1260 кг/см2. 2. Давления, возникающие при конденсации паровых кавитационных пузырьков, определяются по формуле: 
получим Р=10300 кг/см2. При P0=10 кг/см2 и 
получим Р=498800 кг/см2. Все вышеназванные значения давлений имеют место при конденсации шароподобных кавитационных пузырьков. В движущейся жидкости, а тем более при конденсации пузырьков в условиях гидравлического удара происходит деформация их поверхности и изменение формы. При конденсации деформированных кавитационных пузырьков возникают кумулятивные струйки, давления в которых могут превышать давления от конденсации идеальных пузырьков до десятка раз. Учитывая изменения объемов пара при конденсации (400-1500) и значения
,
