ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2247906
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ТЕПЛОГЕНЕРАТОР
Имя изобретателя: Бритвин Л.Н. (RU)
Имя патентообладателя: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная фирма ТГМ" (RU)
Адрес для переписки: 111673, Москва, а/я 60, ООО "НПФ ТГМ"
Дата начала действия патента: 2002.12.30
Изобретение относится к
кавитационно-вихревым теплогенераторам и
может быть использовано для разогрева
жидкости в гидросистемах различного
назначения, а также для активации процессов
смешения, диспергирования, химического
взаимодействия веществ и т.п. Сущность
изобретения в том, что гидродинамический
теплогенератор выполнен с ускорителем
жидкости в виде лопастного приводного
рабочего колеса с гарантированным малым
зазором, установленным в кольцевой втулке,
содержащей периферийно расположенные по
направлению выхода жидкости из рабочего
колеса тангенциальные каналы, связывающие
периферийную выходную поверхность колеса с
выполненными во втулке вокруг колеса
цилиндрическими вихревыми камерами через
продольные прорези в их боковых
поверхностях. При этом на выходе из
цилиндрических вихревых камер установлены
ускорительные насадки, выходящие в камеру
торможения, в которой могут быть выполнены
напротив выходов из вихревых камер
объемные резонаторы. Возможны различные
выполнения лопастных колес: центробежные
колеса открытого или закрытого типа с углом
выхода, преимущественно большим 90°,
центробежно-вихревые колеса, а также
различные выполнения вихревых камер и
камер торможения. Предложенный генератор
имеет минимальные потери энергии при
организации рабочего процесса
вихреобразования, обеспечивает
существенно малые и стабильные по объему
вихревые и кавитационные каверны, на
которые воздействует заданное переменное
высокочастотное возмущение по давлению,
что в целом существенно повышает его
эффективность.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предложение относится к
кавитационно-вихревым теплогенераторам
для разогрева жидкости в гидросистемах
различного назначения, а также может быть
использовано в качестве смесителей
различных жидкостей, диспергирования,
разрушения молекулярных связей в сложных
жидкостях, изменения физико-химических
свойств жидкостей и т.п.
Известен способ получения тепловой
энергии посредством кавитационно-вихревого
воздействия на жидкость в условиях
периодически изменяющегося давления, см.
патент №2054604 - аналог. Это задача решалась
устройством, содержащим по меньшей мере два
последовательно установленных
центробежных рабочих колеса с
закрепленными на них радиально
перфорированными кольцевыми пластинами,
взаимодействующими с аналогичными
пластинами, закрепленными в корпусе, т.е. -
применением широко известного устройства
по типу сирены.
При таком воздействии на жидкость
значительная доля гидравлической энергии
теряется на малоэффективное
неорганизованное вихреобразование в
основной массе жидкости (это существенно
снижает среднюю скорость вращения вихревых
каверн за счет включения в них в процессе
вихреобразования значительных
присоединенных масс относительно
неподвижной жидкости, окружающей
пространство на выходе из перфорированных
корпусных пластин) в пространстве на выходе
ультразвукового генератора - сирены, имеет
место достаточно быстрый износ радиально
перфорированных пластин этого генератора.
Известен также теплогенератор Потапова Ю.С.,
который выполнен в виде цилиндрической
камеры, закрутка потока в которой
осуществляется ускорителем жидкости,
обеспечивающим тангенциальный подвод
подаваемой центробежным насосом жидкости в
эту камеру со стороны ее торцевого входа. На
выходе с другого торца вихревой камеры
установлена камера торможения потока, см.
патент №2045715 - прототип.
Данное устройство обеспечивает защиту
поверхностей вихревой камеры и каналов
ускорителя жидкости от кавитационного
разрушения за счет достаточно строго
организованного вихреобразования,
исключая, однако, элементы лопастной камеры
торможения. С другой стороны, при такой
конструкции невозможно добиться
интенсивного вихревого движения в камере
из-за больших гидравлических сопротивлений
тангенциального канала, который должен
преобразовать весь расход и напор насоса в
скоростной напор потока, поступающего в
вихревую камеру, а также - и за счет потерь
энергии в самом насосе. Кроме того,
относительно большие размеры всего одной
вихревой камеры, преобразующей всю энергию
рабочего лопастного колеса насоса,
подключенного к ускорителю жидкости, не
позволяет получить в жидкости
ультразвуковые колебания высокой частоты,
оптимально воздействующей на образующиеся
в большой по объему камере существенно
различные по величине вихревые образования
и кавитационные разрывы сплошности
жидкости, что в целом затрудняет дальнейшее
повышение эффективности теплогенератора.
В этой связи целью данного предложение
является снижение потерь энергии в
процессе обеспечения вихреобразования в
рабочих вихревых камерах при одновременной
защите элементов конструкции, включая
камеру торможения, от кавитационного
разрушения, а также - обеспечение
существенно большей скорости вращения
жидкости в вихревых камерах при
равномерной структуре вихревых
образований в малых объемах жидкости и
повышения тем самым активизации
кавитационной обработки жидкости в
условиях наложения на вихревые образования
высокочастотных колебаний давления. Т.е.
целью предложения является повышение
энергетических и других эксплуатационных
характеристик устройства, расширение
области его возможного применения.
Данная задача решается тем, что:
-
в гидродинамическом теплогенераторе,
состоящем по меньшей мере из одной
цилиндрической вихревой камеры, сообщенной
с ускорителем жидкости, обеспечивающим ее
тангенциальный ввод в цилиндрическую
вихревую камеру и далее в камеру торможения,
ускоритель жидкости выполнен в виде
приводного лопастного колеса, по периферии
которого с гарантированным малым зазором
установлена кольцевая втулка с
выполненными вокруг колеса
тангенциальными каналами, которые
гидравлически сообщены с выполненными
вокруг колеса цилиндрическими вихревыми
камерами через боковые прорези на их
цилиндрических поверхностях;
-
выходы из цилиндрических вихревых камер
выполнены по меньшей мере с одного их торца
в общую для них камеру торможения;
-
выход из цилиндрической вихревой камеры
в камеру торможения выполнен радиальным в
ее средней части;
-
длина цилиндрических вихревых камер и
тангенциальных каналов выполнены
соизмеримыми, например равными, ширине
лопастного рабочего колеса на его
периферии;
-
на выходах из цилиндрических вихревых
камер установлены насадки переменного
сечения;
-
по меньшей мере одна камера торможения
выполнена в виде кольцевого канала-коллектора
округлого поперечного сечения, входы в
который из вихревых камер расположены
тангенциально указанному сечению;
-
в камере торможения напротив по меньшей
мере одной вихревой камеры установлен
объемный резонатор;
-
тангенциальные каналы в кольцевой
втулке выполнены с возможностью
однонаправленной закрутки потока во всех
вихревых камерах;
-
тангенциальные каналы в кольцевой
втулке выполнены с возможностью
разнонаправленного направления вращения в
прилегающих друг к другу вихревых камерах;
-
приводное лопастное колесо выполнено
как рабочее колесо центробежного насоса
преимущественно с углом выхода лопаток,
выполненным большим, чем 90°;
-
лопастное рабочее колесо выполнение с
двухсторонним входом, открытого типа;
-
лопастное колесо выполнено центробежно-вихревого
типа с лопатками на обоих его торцах и
установлено между корпусными стенками,
снабженными вихреобразующими канавками,
причем указанные лопатки колеса выполнены
переходящими на его периферийную
цилиндрическую поверхность,
взаимодействующую с тангенциальными
каналами;
-
ширина лопаток по окружности на выходе
из рабочего колеса выполнена равной или
большей ширины тангенциального канала в
его входном сечении,
-
входной канал в рабочее колесо и
выходной канал теплогенератора выполнены
шунтированными посредством по меньшей мере
одного дросселирующего канала,
-
камера торможения выполнена в виде
спирального отвода центробежного насоса.
На фиг.1 и 4 даны примеры выполнения
предложенного устройства.
Гидродинамический теплогенератор
состоит из ускорителя жидкости,
выполненного в виде приводного лопастного
рабочего колеса 1, см. фиг.1, установленного с
гарантированным малым зазором в кольцевой
втулке 2 с выполненными вокруг колеса 1
тангенциальными каналами 3, см. фиг.2,
которые гидравлически сообщены с
выполненными вокруг колеса
цилиндрическими вихревыми камерами 4 через
боковые прорези на цилиндрической
поверхности этих камер.
Поверхность взаимодействия кольцевой
втулки 2 с периферийной поверхностью
лопастного колеса 1 может быть выполнена
цилиндрической или конической. В последнем
случае легко обеспечивается регулировка
зазора между указанными поверхностями
установкой прокладок 6 между корпусом 7 и
торцом втулки 2. Рабочее приводное
лопастное колесо может быть открытым, что
упрощает конструкцию, или закрытым, как
показано на фиг.1 и 3, т.е. - с покрывными
дисками 8 и 8*, что снижает потери в колесе и
повышает его напорность.
Выход жидкости из вихревых камер 1
гидравлически осуществлен в камеру
торможения 9 и может быть выполнен по
меньшей мере с одного их торца, см. фиг.1. На
фиг.3 показано выполнение теплогенератора с
двумя расположенными друг против друга
камерами торможения 9 и 9* для приема
вихревых потоков жидкости с обоих торцев
вихревых камер 4.
Длина (протяженность) вихревых камер
выполнена соизмеримой с шириной рабочего
колеса 1, см. фиг.1 и 3, т.е. их длина соразмерна
с конструктивными параметрами выходной
части рабочего колеса В частности, в
варианте выполнения по фиг.3 протяженность
цилиндрических вихревых камер равна высоте
лопаток на периферии колеса 1. В общем
случае рационально, чтобы длина вихревых
камер 4 не превышала высоты лопаток колеса 1
более, чем в 2-3 раза. Длина боковой прорези в
цилиндрической поверхности вихревой
камеры 4, т.е. выходного сечения
тангенциального канала 3, предпочтительно
равна высоте лопаток рабочего колеса на его
периферии.
Камера торможения 9 гидравлически
сообщена с внешней гидросистемой
посредством выходного канала 10
теплогенератора, а также с входным каналом
11 в лопастное колесо 1 через шунтирующий,
например, регулируемый дроссель 12, а также
через дросселирующие каналы 13 между
торцевыми поверхностями лопастного колеса
1 и корпусом теплогенератора.
Между камерой торможения 9 (9*) и вихревыми
камерами 3 могут быть установлены
осесимметричные ускорительные насадки
переменного сечения, например, 14 и 14*, см. фиг.3.
Эти насадки могут быть выполнены и зацело с
кольцевой втулкой 2 и камерами 4.
Камеру торможения 9 и/или 9* рационально
выполнить в виде кольцевого канала-коллектора
округлого поперечного сечения, см. фиг.1,
входы в который из вихревых камер 4
расположены тангенциально указанному
сечению, что существенно препятствует
кавитационному разрушению поверхности
камеры торможения.
Кольцевой канал-коллектор камеры
торможения 9 может быть выполнен с
переменной площадью поперечного сечения по
длине канала, например, в виде спирального
отвода центробежного насоса с лопастным
колесом открытого типа и двухсторонним
входом жидкости (входной участок колеса на
чертеже не показан), см. фиг.4. На фиг.4 также
показан вариант выполнения кольцевой
втулки 2 с каналами отвода жидкости из
вихревых камер 4, выполненными в средней их
части, например в виде кольцевой радиальной
прорези 15, на выходе которой также может
быть установлен кольцевой щелевой насадок,
см. фиг.4. Возможно и индивидуальное
сообщение каждой вихревой камеры 4 с
камерой 9 через радиальные отверстия, в том
числе снабженные насадками по типу насадок
14, 14*, см. фиг.3.
По меньшей мере в одной камере торможения
9 напротив по меньшей мере одной вихревой
камеры 4 может быть установлен объемный
резонатор 17, см. фиг.3. Рационально эти
резонаторы выполнять симметрично по
окружности напротив всех или только части
вихревых камер 4. На фиг.5 резонаторы 17*
выполнены в виде кольцевых щелевых
тупиковых прорезей в корпусе
теплогенератора, объединяющих вихревые
потоки, выходящие из всех вихревых камер 4,
что упрощает конструкцию и рационально для
активизации, например, химических
процессов в жидкостях сложных составов, а
также - защищает корпусную поверхность
камеры торможения от кавитационного
разрушения.
В зависимости от решаемых устройством
задач тангенциальные каналы 3 в кольцевой
втулке 2 выполнены с возможностью
однонаправленной закрутки потока во всех
вихревых камерах 4, см. фиг.2, сектор,
обозначенный углом q, или с возможностью
разнонаправленного направления вращения в
прилегающих друг к другу вихревых камерах,
см. сектор, обозначенный углом z.
Для повышения интенсивности закрутки
потока в вихревых камерах угол выхода
потока с лопаток 16 колеса ускорителя
жидкости рационально выполнять большим 90°,
что позволяет увеличить скорость потока на
входе тангенциального канала при
одновременном совпадении направления
выходящего из колеса потока с направлением
тангенциального канала. Однако возможно
использование лопастного колеса и с углами
меньшими 90°, как это принято в большинстве
рабочих колес центробежных насосов.
Для дополнительной активизации
энерговыделяющих процессов в жидкости
возможно выполнение ширины лопаток на
периферийной окружности колеса равной или
большей ширины тангенциального канала 3 в
его входном сечении, что обеспечивает
периодическое перекрытие тангенциальных
каналов и периодический разрыв сплошности
вихревого потока в вихревых камерах 4, с
последующим, при открытии тангенциального
канала, ударным повышением давления по оси
вихревой камеры.
Этой же задаче может служить выполнение
рабочего колеса с перфорированной
пластиной, выступающей за внешний его
диаметр и периодически за счет вращения
колеса перекрывающей выходные каналы из
вихревых камер 4, что конструктивно легко
выполнить в варианте по фиг.1. Однако
указанная перфорированная пластина будет
быстро разрушена и потому ее использование
практически не рационально.
Для повышения интенсификации
кавитационно-вихревого воздействия на
структуру рабочей жидкости лопастное
колесо 1 рационально выполнить с
центробежно-вихревым с повышенным числом
лопаток 16 малой высоты с обоих торцевых
сторон колеса 1*, см. фиг.5. Это колесо
установлено между торцевыми корпусными
стенками, снабженными вихреобразующими
канавками 18. Указанные лопатки приводного
колеса 1* выполнены переходящими на его
периферийную цилиндрическую поверхность 19,
взаимодействующую с тангенциальными
каналами 3. Совместное действие лопастного
колеса центробежно-вихревого типа и
вихревых камер 4 дополнительно повышает
воздействие на структуру жидкости и
удельное энерговыделение в ней.
РАБОТАЕТ ОПИСЫВАЕМОЕ УСТРОЙСТВО
СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ
При вращении лопастного колеса 1
ускорителя жидкости жидкость,
непосредственно выходящая из канала колеса
с высокой скоростью и заданным лопатками 16
направлением (т.е. без изменения
направления вектора скорости),
непосредственно поступает (при минимальных
потерях энергии) в тангенциальные каналы 3 и
3* и через боковые щелевые прорези камер 4
внутрь этих цилиндрических камер,
обеспечивая в них интенсивную закрутку
жидкости, что приводит к разрыву жидкости
по оси камер 4. Например, на периферии этих
камер диаметром 7-10 мм скорость вращения
жидкости может составлять 200000 об/мин и
более при обычных параметрах лопастных
колес. Скорость вращения многократно
увеличивается при выходе жидкости через
осесимметрические конические (сходящиеся)
или конфузорно-диффузорные насадки 14 (14*),
что образует в камере(ах) торможения
вихревые каверны малого и стабильного
объема с высокими средними скоростями
вращения жидкости. В процессе торможения в
камере 9 вихревых каверн при наложении на
них пульсирующего высокочастотного
давления, генерируемого резонаторами,
прерыванием поступающего в вихревые камеры
4 потока, а также - ударными волнами,
имеющими место при кавитационных процессах,
происходит интенсивное воздействие на
структуру жидкости и энерговыделение в
потоке жидкости. Важно, что в
рассматриваемом устройстве камера
торможения может не содержать специальные
легко изнашиваемые лопатки (как в прототипе)
для воздействия на вихревые потоки,
поскольку за счет малых объемов вихревых
каверн и чрезвычайно высокой скорости
вращения жидкости в них происходит
интенсивный энергообмен с окружающим эти
каверны потоком жидкости за счет
молекулярных сил сцепления.
Достоинствами данного технического
решения являются его долговечность и
конструктивная простота, минимальные
внутренние потери энергии в процессе
передачи жидкости механической энергии от
приводного двигателя, возможность
выполнения теплогенератора, в том числе
дополнительно с функциями: смесителя,
химического реактора, диспергатора,
гомогенезатора и т.п., на базе серийно
выпускаемых центробежных насосов в широком
диапазоне мощностей приводных двигателей.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Гидродинамический теплогенератор,
состоящий по меньшей мере из одной
цилиндрической вихревой камеры, сообщенной
с ускорителем жидкости, обеспечивающим ее
тангенциальный ввод в цилиндрическую
вихревую камеру, на выходе из которой
установлена камера торможения,
гидравлически сообщенная с выходным
каналом теплогенератора, отличающийся тем,
что ускоритель жидкости выполнен в виде
приводного лопастного колеса, по периферии
которого с гарантированным малым зазором
установлена кольцевая втулка с
выполненными вокруг колеса
тангенциальными каналами, которые
гидравлически сообщены с выполненными
вокруг колеса цилиндрическими вихревыми
камерами через боковые прорези на их
цилиндрической поверхности.
2. Гидродинамический теплогенератор по п.1,
отличающийся тем, что выходы из
цилиндрических вихревых камер в камеру
торможения выполнены по меньшей мере с
одного их торца в общую для них камеру
торможения.
3. Гидродинамический теплогенератор по п.1,
отличающийся тем, что выход из
цилиндрической вихревой камеры выполнен
радиальным в ее средней части.
4. Гидродинамический теплогенератор по
любому из пп. 1 и 3, отличающийся тем, что
длина цилиндрических вихревых камер и
тангенциальных подводных каналов
выполнены соизмеримыми, например, равными
ширине рабочего колеса на его периферии.
5. Гидродинамический теплогенератор по
любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что на
выходах из цилиндрических вихревых камер
установлены насадки переменного сечения.
6. Гидродинамический теплогенератор по
любому из пп. 2-5, отличающийся тем, что по
меньшей мере одна камера торможения
выполнена в виде кольцевого канала-коллектора
округлого поперечного сечения, входы в
который из вихревых камер расположены
тангенциально указанному сечению.
7. Гидродинамический теплогенератор по
любому из пп. 2-6, отличающийся тем, что в
камере торможения напротив выходного
канала по меньшей мере одной вихревой
камеры установлен объемный резонатор.
8. Гидродинамический теплогенератор по
любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что
тангенциальные каналы в кольцевой втулке
выполнены с возможностью однонаправленной
закрутки потока во всех вихревых камерах.
9. Гидродинамический теплогенератор по
любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что
тангенциальные каналы в кольцевой втулке
выполнены с возможностью
разнонаправленного направления вращения в
прилегающих друг к другу вихревых камерах.
10. Гидродинамический теплогенератор по
любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что
приводное лопастное колесо выполнено как
рабочее колесо центробежного насоса
преимущественно с углом выхода лопаток,
выполненным большим 90°.
11. Гидродинамический теплогенератор по
любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что
лопастное колесо выполнено с двухсторонним
входом, открытого типа.
12. Гидродинамический теплогенератор по
любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что
лопастное колесо выполнено центробежно-вихревого
типа с лопатками на обоих его торцах и
установлено между корпусными стенками,
снабженными вихреобразующими канавками,
причем указанные лопатки колеса выполнены
переходящими на его периферийную
цилиндрическую поверхность,
взаимодействующую с тангенциальными
каналами.
13. Гидродинамический теплогенератор по
любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что
ширина лопаток на периферийной окружности
на выходе из рабочего колеса выполнена
равной или большей ширины тангенциального
канала в его входном сечении.
14. Гидродинамический теплогенератор по
любому из пп. 1-13, отличающийся тем, что
входной канал в рабочее колесо и выходной
канал теплогенератора выполнены
шунтированными посредством по меньшей мере
одного дросселирующего канала.
15. Гидродинамический теплогенератор по
любому из пп. 1-14, отличающийся тем, что
камера торможения выполнена в виде
спирального отвода центробежного насоса.
Версия для печати
Дата публикации 30.12.2006гг
вверх
|
